Im Jahr 1883 stellte der bekannte österreichische Physiker Ernst Mach ein scheinbar einfaches Problem vor, das Physikerinnen und Physiker mehr als ein Jahrhundert lang beschäftigen sollte. Was passiert, wenn man einen Sprinkler rückwärtslaufen lässt? Ein klassischer Sprinkler besteht aus gebogenen Düsen, die von einer drehbaren zentralen Achse abgehen. Strömt Wasser durch die Röhren nach außen, versetzt der Rückstoß das Gerät in Rotation. Doch was würde passieren, wenn man stattdessen Wasser durch die Auslässe in das Gerät hineinsaugt? Man sollte meinen, dass das Gerät sich dann einfach in die entgegengesetzte Richtung dreht. Doch so einfach ist es keineswegs: Es gibt keine überzeugende theoretische Begründung dafür, und unzählige Experimente konnten nicht einmal klären, ob der umgedrehte Sprinkler überhaupt rotiert.

Ein Team um den Mathematiker Leif Ristroph von der New York University scheint nun jedoch eine definitive Antwort gefunden zu haben – praktisch und theoretisch. Wie die Arbeitsgruppe jetzt in der Fachzeitschrift »Physical Review Letters« berichtet, dreht sich der umgedrehte Sprinkler tatsächlich in die entgegengesetzte Richtung, nur ungefähr 40-mal langsamer. Das Überraschende: Der physikalische Mechanismus ist exakt der gleiche wie beim normalen Sprinkler.

Das Team konstruierte für die Experimente eigens einen Sprinkler mit zwei Armen und einem besonders reibungsarm gelagerten rotierenden Kopf. Diesen tauchte es in ein Wasserbad, ließ ihn Wasser einsaugen und beobachtete die Rotation. Um nachzuweisen, dass die entstehende Drehung tatsächlich ein dauerhafter Effekt ist und nicht nur ein kurzer Schubs beim Start des Geräts, lief die Apparatur teilweise stundenlang. Außerdem drehte die Arbeitsgruppe in einigen Versuchen die Düsen und damit die Rotationsrichtung um. Dabei zeigte sich: in dem Gerät entsteht tatsächlich ein Drehmoment, das dem im normal laufenden Sprinkler entgegengesetzt ist. Doch wie? Mit Hilfe von Farbstoffen und und im Wasser schwebenden Mikropartikeln zeichnete das Team die Strömungsverhältnisse im Wasserbad und im Inneren des durchsichtigen Geräts mit einer Hochgeschwindigkeitskamera auf. Dabei wurde klar, dass der entscheidende Prozess im Inneren des Geräts abläuft – und zwar ganz anders als bisher vermutet.

Als Erklärung für die mutmaßliche umgekehrte Rotation hatten Fachleute bisher zum Beispiel angenommen, dass sich im Inneren des Sprinklers ein Wirbel bildet oder dass Druckunterschiede in der Biegung der Düsen hinter der entstehenden Kraft stecken. Allerdings, so berichtet das Team um Ristroph, funktioniert der inverse Sprinkler ganz anders – nämlich genau wie der normale Sprinkler. Der nämlich rotiert, weil die Rückstoßkräfte der Wasserstrahlen seitlich von der Drehachse am Sprinklerkopf wirken. Und genau das passiert auch, wenn man die Strömung umdreht. Nur dass die Wasserstrahlen im Inneren des Sprinklerkopfes aus den gebogenen Düsen kommen.

Die beiden Wasserstrahlen treffen zwar genau zentral in der Mitte aufeinander, beide strömen jedoch vorher durch die gebogenen Düsen. Und in diesen verändert sich das Strömungsprofil: Das Wasser an der Außenseite der Biegung strömt etwas schneller. Und so sind die Strahlen in der Mitte, wo sie zusammentreffen, eben nicht mehr symmetrisch, sondern haben ihren schnellsten Teil etwas seitlich von der Mitte versetzt. Ihre gegeneinandergerichteten Rückstoßkräfte setzen auf entgegengesetzten Seiten der Drehachse an und lassen so den Kopf rotieren, genau wie beim normalen Sprinkler. Doch während die Rückstoßkraft bei diesem auf einen sehr langen Hebelarm wirkt, strömen die Wasserstrahlen im Inneren des inversen Sprinklers direkt auf die Achse zu, so dass nur ihre kleine Asymmetrie ein geringes Drehmoment erzeugt – was die langsame Rotation und vor allem die wechselhaften Resultate früherer Experimente erklärt.