来自纽约大学和科罗拉多矿业学院的一组数学家解决了喷水器问题，这是一个困扰了物理学界几十年的谜题，关于喷水器反向运行时如何工作。

在测试这些转法古怪的后院玩具时，数学家们能够确切地弄清楚当水流反向时，水流产生的力如何导致喷水器旋转。

这表明反向吸水的喷水器由于设备内部产生的力而倒着转。

“这项工作为费曼的喷水器问题提供了实验答案，通过在多种类型的喷水器上展示，水流的角动量是如何带动喷水器旋转的，”纽约大学库朗数学科学研究所副教授莱夫·里斯特罗夫说。

这个问题看似简单，实则不然：如果你把草坪洒水器沉到水里，让水流反过来——不是往外喷，而是往里吸，会发生什么？

它是会正着转、倒着转，还是只会原地振动、纹丝不动？

这个谜题比原子时代还要早。著名物理学家恩斯特·马赫早在1883年就首次提出了这个问题，他说：“流体朝一个方向转，洒水器朝反方向转。”

几十年后，诺贝尔奖得主理查德·费曼在亲自尝试解决这个谜题后将其推广开来，他那次尝试的结局很出名——一个大玻璃瓶在高压下炸了。几代人以来，各种互相矛盾的数学模型和漏洞百出的实验长期交锋。

在他们2024年的初步研究中，研究团队引入了“动量通量理论”，以解释反向洒水器就像一个“内外颠倒的火箭”。该理论解释说，洒水器的旋转是由其内部流体流动的角动量驱动的。

它朝反方向转的速度是传统洒水器的50倍，因为其内部喷射的水流在碰撞时略微偏离中心。

“研究人员发现，两股内部射流发生碰撞，但它们并非完全正面相遇——这一微妙的效应产生了使洒水器反向旋转的力，”他们表示。

然而，这项早期研究留下了一个很大的漏洞。它只评估了标准的、规整的S形臂。

这就留下了一个问题：更复杂的环形结构是否会有不同的表现，同时也使得那些相互竞争的历史理论仍未被推翻。

搞怪形状的力量

搞怪形状的力量

为了彻底坐实这个结论，研究团队制造了一系列定制的搞怪喷头，带有各种五花八门的几何环形和轮廓。分别在正向喷洒和反向吸入两种模式下做了测试。同时精确测量了扭矩，绘制了内部流体路径，还追踪了外部水流。

结果表明，这些环形结构并没有改变物理规律。实验为作者的动量通量理论提供了“强有力的支持”，该理论在所有测试过的奇葩形状中都站得住脚。

这证明了这个理论对正向和反向模式都通用，不管喷头长什么样。

此外，该研究还表明，通过调整臂的轮廓，就能精确控制内部的流体流动。这对于能量转换涡轮机等工程应用具有实际价值。

“通过证明动量通量是费曼洒水器问题的解答，我们的发现破解了流体物理学中一个长期悬而未决的难题，并让我们更好地了解这些设备的工作原理和实际效果，”里斯特罗夫总结说。

这项研究于7月13日发表在《美国国家科学院院刊》上。