Zraszacz Feynmana obraca się „w złą stronę”. Naukowcy rozwiązali słynny paradoks fizyki

Zraszacz Feynmana podczas zasysania wody może obracać się przeciwnie do zwykłego zraszacza, ale znacznie wolniej. Badacze z New York University wykazali, że kierunek oraz siła ruchu zależą od strumienia momentu pędu wewnątrz urządzenia i od geometrii jego przewodów, informuje redakcja TopFlop. Nowe eksperymenty objęły konstrukcje o różnych kształtach, w tym modele przypominające ogrodowe zabawki z pętlami i spiralami. Wyniki opublikowano w lipcu 2026 roku w „Proceedings of the National Academy of Sciences”.

Rozwiązanie nie polega na prostym odwróceniu działania zwykłego zraszacza. Kiedy urządzenie wyrzuca wodę, strumienie opuszczające dysze przenoszą moment pędu, a korpus reaguje obrotem w przeciwną stronę. Podczas zasysania ciecz wchodzi przez końcówki ramion, przyspiesza w zakrzywionych rurach i tworzy skierowane strumienie wewnątrz centralnej części urządzenia. To właśnie ich ruch, a nie samo podciśnienie ani napór wody na zewnętrzne powierzchnie, odpowiada za słaby obrót w kierunku uznawanym przez lata za „niewłaściwy”.

Na czym polega zagadka zraszacza Feynmana

Klasyczny zraszacz ma co najmniej dwa zakrzywione ramiona zakończone dyszami. Woda wypływa z nich stycznie do toru obrotu, dlatego urządzenie zaczyna kręcić się w stronę przeciwną do kierunku strumieni. Mechanizm przypomina napęd rakietowy: część układu wyrzuca masę w jedną stronę, a pozostała część uzyskuje przeciwnie skierowany pęd.

Zagadka Feynmana zaczyna się wtedy, gdy cały zraszacz zostaje zanurzony, a pompa zamiast wypychać wodę zaczyna ją zasysać przez dysze. Intuicja podpowiada kilka sprzecznych odpowiedzi. Urządzenie może obracać się tak samo jak podczas wyrzucania wody, może ruszyć w przeciwną stronę albo pozostać nieruchome.

Problem był analizowany jeszcze przed narodzinami Richarda Feynmana. Ernst Mach opisał podobny układ w wydanym w 1883 roku podręczniku mechaniki i informował, że nie zaobserwował wyraźnego, trwałego obrotu. Feynman zainteresował się zagadnieniem jako doktorant w Princeton w latach 40. XX wieku.

Próba przeprowadzona w laboratorium cyklotronowym zakończyła się uszkodzeniem szklanego zbiornika i nie dała jednoznacznej odpowiedzi.

Przez następne dekady wyniki eksperymentów zależały od konstrukcji aparatury. W urządzeniach z dużym tarciem słaby moment obrotowy nie wystarczał do poruszenia ramion. Inne modele drgały wyłącznie podczas uruchamiania lub wyłączania pompy. Dopiero łożyska o bardzo małym oporze, kontrolowany przepływ oraz obrazowanie ruchu cieczy pozwoliły oddzielić krótkotrwałe szarpnięcie od trwałej rotacji.

Tryb pracy	Kierunek przepływu	Typowe zachowanie urządzenia	Główna przyczyna ruchu
Zwykły zraszacz	Od środka do dysz	Szybki obrót przeciwny do wypływających strumieni	Moment pędu wynoszony przez wodę
Zraszacz odwrotny	Od dysz do środka	Słaby obrót przeciwny do ruchu zwykłego modelu	Skierowane przepływy wewnątrz zakrzywionych przewodów
Rozruch pompy	Przepływ dopiero narasta	Krótkie szarpnięcie lub drganie	Zmiana pędu cieczy
Zatrzymanie pompy	Przepływ zanika	Krótki ruch w przeciwnym kierunku	Wygaszanie ruchu wody
Układ z dużym tarciem	Woda płynie, korpus ma opór	Brak widocznej rotacji	Moment obrotowy mniejszy od oporów mechanicznych

Brak widocznego ruchu nie musi oznaczać, że na urządzenie nie działa moment obrotowy. Może on być po prostu zbyt mały, aby pokonać tarcie łożyska, przewodów i uszczelnień.

„Eksperymenty pokazują, że moment pędu przepływającej wody napędza obrót różnych typów zraszaczy” — wyjaśnił Leif Ristroph z Courant Institute w komunikacie NYU z lipca 2026 roku.

Dlaczego dawniej często obserwowano tylko drgnięcie

W pierwszych analizach zakładano, że zasysanie wywołuje dwie przeciwne siły. Podciśnienie przy wejściu do dyszy ciągnie ramię w jedną stronę. Następnie woda wpływa do zakrzywionej rurki, uderza w jej wewnętrzną powierzchnię i przekazuje pęd w kierunku przeciwnym. W idealnym, ustalonym przepływie oba efekty mogą się w znacznym stopniu równoważyć.

Takie wyjaśnienie dobrze opisuje układ uproszczony, w którym pomija się lepkość, wiry, krzywiznę kanałów i sposób połączenia strumieni w centrum. Rzeczywiste urządzenie nie jest jednak układem idealnym. Woda musi skręcić, przyspieszyć i przejść przez przewody o określonym przekroju. Powstają gradienty ciśnienia, ruch wirowy oraz asymetryczny transport momentu pędu.

Badania opublikowane w 2024 roku wykazały trwałą rotację odwrotnego zraszacza przy użyciu łożyska o bardzo małym tarciu. Model zasysający obracał się w stronę przeciwną do zwykłego zraszacza, lecz około 50 razy wolniej. Badacze powiązali ten ruch z przepływem odśrodkowym w zakrzywionych ramionach i z momentem pędu przenoszonym przez wodę.

To rozróżnienie ma podstawowe znaczenie:

• krótki ruch przy uruchomieniu wynika ze zmiany prędkości cieczy;
• brak obrotu może być skutkiem tarcia;
• trwały, powolny obrót pojawia się przy odpowiedniej geometrii i dostatecznie małych oporach;
• kierunek obrotu zależy od tego, jak strumienie opuszczają analizowany obszar układu;
• samo porównanie „woda wpływa” i „woda wypływa” nie wystarcza do przewidzenia zachowania urządzenia.

Podobne różnice między przepływem cieczy a ruchem całej konstrukcji można zauważyć podczas analizy tego, dlaczego wentylator porusza powietrze, ale nie obniża temperatury zamkniętego pokoju. W obu przypadkach trzeba oddzielić ruch ośrodka od bilansu energii i sił działających na urządzenie.

Dlaczego zraszacz Feynmana obraca się przeciwnie do zwykłego

Nowe badanie z 2026 roku rozszerzyło wcześniejsze eksperymenty. Zespół przygotował zraszacze o różnych kształtach przewodów, między innymi konstrukcje z pętlami, spiralami i wygiętymi rurami. Celem było sprawdzenie, czy jedna teoria wyjaśnia ruch zarówno prostych ramion typu S, jak i bardziej złożonych układów.

Wynik wskazuje na zasadę zachowania pędu, a dokładniej na transport momentu pędu przez ciecz. Zraszacz obraca się wtedy, gdy przepływająca woda opuszcza wybrany obszar układu z określonym momentem pędu. Korpus otrzymuje przeciwny moment, ponieważ całkowity moment pędu układu musi się bilansować.

Dla zwykłego zraszacza sytuacja jest czytelna. Woda dociera do osi praktycznie bez momentu pędu względem tej osi. Następnie płynie zakrzywionymi ramionami i opuszcza dysze stycznie. Strumienie wynoszą moment pędu na zewnątrz, więc ramiona obracają się w przeciwną stronę.

Podczas zasysania woda początkowo znajduje się w zbiorniku i wpływa do końcówek ramion. W zakrzywionych kanałach zostaje skierowana ku centralnemu połączeniu. Wypływ z ramion nie kończy się jednak w chwili wejścia cieczy przez dyszę. Strumienie biegną dalej wewnątrz urządzenia, a ich kierunek i sposób połączenia decydują o momencie działającym na całą konstrukcję.

Strumienie nie zderzają się idealnie w osi

Najbardziej mylące założenie mówiło, że woda zasysana przez dwa przeciwległe ramiona spotyka się centralnie, a jej moment pędu całkowicie zanika. Obrazowanie przepływu wykazało bardziej złożony przebieg. Strumienie mogą minąć się, skręcić lub wejść do odpływu z zachowanym ruchem obrotowym.

W zakrzywionych przewodach woda jest kierowana przez ścianki. Jednocześnie działa na nie przeciwną siłą. Gdy geometria rur powoduje, że ciecz dociera do centralnego odpływu z niezerowym momentem pędu, zraszacz otrzymuje moment skierowany przeciwnie.

Odwrotny zraszacz nie jest zwykłym zraszaczem odtworzonym „od końca”. Zmiana kierunku przepływu zmienia miejsce, w którym woda nabiera i oddaje moment pędu.

W prostym przybliżeniu bilans można zapisać jako:

moment działający na zraszacz = minus tempo zmiany momentu pędu wody

Nie oznacza to, że każdy zasysający model zawsze ruszy. Rzeczywisty efekt zależy od kilku parametrów:

1. Kształtu i krzywizny ramion.
2. Położenia otworów wlotowych.
3. Przekroju przewodów.
4. Sposobu połączenia strumieni w centralnej komorze.
5. Natężenia przepływu.
6. Lepkości cieczy.
7. Liczby Reynoldsa opisującej charakter przepływu.
8. Tarcia w osi i łożysku.
9. Masy oraz momentu bezwładności ramion.
10. Odległości dysz od osi obrotu.

Element konstrukcji	Wpływ na wodę	Możliwy wpływ na obrót
Silnie zakrzywione ramię	Zwiększa zmianę kierunku strumienia	Może zwiększyć moment przekazywany ściankom
Długa rurka	Zwiększa straty przepływu i kontakt ze ściankami	Może osłabić przepływ, ale ustabilizować jego kierunek
Duży otwór wlotowy	Zmniejsza prędkość przy tej samej wydajności	Może zmniejszyć transport momentu pędu
Wąski kanał	Zwiększa prędkość cieczy	Może zwiększyć moment, ale również straty ciśnienia
Niskie tarcie łożyska	Nie zmienia przepływu	Umożliwia obserwację bardzo słabego momentu
Asymetryczne ramiona	Dają różne strumienie	Mogą zmienić kierunek albo stabilność ruchu
Centralny odpływ	Odbiera wodę z ramion	Jego geometria decyduje, ile momentu pędu opuszcza układ

Pojęcie energii ruchu i jej związku z prędkością można uzupełnić materiałem wyjaśniającym różnicę między energią kinetyczną i potencjalną oraz podstawowe wzory. W zraszaczu energia dostarczona przez pompę zamienia się między innymi w energię kinetyczną cieczy, straty lepkościowe i ruch obrotowy konstrukcji.

„Przepływ momentu pędu jest odpowiedzią na problem zraszacza Feynmana” — podsumował Leif Ristroph, omawiając wyniki zespołu w lipcu 2026 roku.

Zasysanie i wyrzucanie wody nie są procesami symetrycznymi

Wyrzucanie i zasysanie tej samej ilości wody w jednostce czasu nie prowadzi do identycznego rozkładu prędkości. Strumień wypływający z dyszy może zachować wąski, uporządkowany kształt na znacznej odległości. Woda zasysana do otworu napływa natomiast z wielu kierunków z otaczającego zbiornika.

Ta różnica wpływa na sposób przekazywania pędu. Przy wyrzucaniu woda opuszcza urządzenie w skoncentrowanym strumieniu. Podczas zasysania zewnętrzny przepływ jest bardziej rozproszony, ale po wejściu do rurki ponownie zostaje uporządkowany przez jej ścianki.

Właśnie dlatego nie należy analizować wyłącznie obszaru przed dyszą. Dla pełnego bilansu trzeba śledzić wodę przez całe ramię, centralną komorę i przewód odpływowy. Moment obrotowy zależy od tego, z jakim momentem pędu ciecz przekracza granice analizowanego układu.

Cecha	Wyrzucanie wody	Zasysanie wody
Przepływ przed otworem	Wąski strumień oddalający się od dyszy	Woda napływająca z szerokiego obszaru
Kierunek ruchu w ramieniu	Od osi ku końcówkom	Od końcówek ku osi
Gdzie powstaje silnie skierowany strumień	Przy wyjściu z dyszy	Wewnątrz przewodów i centralnej części
Typowa prędkość obrotu	Stosunkowo duża	Znacznie mniejsza
Wrażliwość na tarcie	Umiarkowana	Bardzo duża
Obserwowany kierunek	Przeciwny do wypływu	Przeciwny do obrotu zwykłego zraszacza

Rozróżnienie między ruchem cieczy a parametrami samej substancji opisuje również opracowanie o tym, jak obliczać gęstość cieczy i ciał stałych oraz poprawnie stosować jednostki. Gęstość wchodzi bezpośrednio do bilansu pędu: przy tej samej prędkości i objętości cięższy ośrodek przenosi większy pęd.

„Wyniki mogą pomóc projektować urządzenia, takie jak turbiny, które zamieniają przepływ płynu w energię” — wskazał Brennan Sprinkle z Colorado School of Mines.

Co dokładnie rozstrzygnęły eksperymenty z 2026 roku

Badanie „Geometry controls momentum flux in the sprinkler problem” opublikowano w tomie 123 „Proceedings of the National Academy of Sciences”. Autorzy analizowali zależność między kształtem urządzenia, przepływem wody i ruchem obrotowym. Praca rozwija wyniki eksperymentów opublikowanych przez część tego samego zespołu w „Physical Review Letters” w 2024 roku.

Nowa seria doświadczeń miała odpowiedzieć nie tylko na pytanie, czy jeden odwrócony zraszacz się obraca. Badacze chcieli ustalić regułę działającą dla różnych konstrukcji. Wykorzystanie modeli z pętlami i spiralami umożliwiło sprawdzenie, jak zmiana przebiegu rur wpływa na moment pędu wody.

Najważniejsze ustalenia są następujące:

• zarówno podczas wyrzucania, jak i zasysania obrót wynika z transportu momentu pędu;
• geometria przewodów decyduje o kierunku i wielkości momentu;
• przepływ zewnętrzny wokół urządzenia nie wystarcza do wyjaśnienia rotacji;
• ciśnienie przy dyszach jest częścią bilansu, ale nie stanowi samodzielnej przyczyny ruchu;
• w trybie odwrotnym moment jest znacznie słabszy i łatwo maskuje go tarcie;
• różne kształty mogą wytwarzać odmienne kierunki przepływu w centralnej części;
• teoria strumienia momentu pędu opisuje zarówno zwykłe, jak i odwrócone modele.

Badanie nie unieważnia wszystkich wcześniejszych wyników pokazujących brak ruchu. Wyjaśnia natomiast, dlaczego część eksperymentów kończyła się nieruchomym urządzeniem. Jeżeli moment wynikający z przepływu jest mniejszy niż moment tarcia statycznego, zraszacz nie ruszy, choć woda wewnątrz nadal będzie przenosiła moment pędu.

Podobny problem występuje w wielu doświadczeniach mechanicznych. Brak obserwowalnego przemieszczenia nie jest dowodem na brak siły. Siły mogą się równoważyć albo pozostawać poniżej progu potrzebnego do pokonania tarcia i bezwładności.

Jak samodzielnie zrozumieć doświadczenie bez skomplikowanych równań

Najprościej wyobrazić sobie zraszacz, wodę i pompę jako jeden układ. Pompa dostarcza energię i wymusza przepływ. Woda zmienia kierunek w rurkach, więc jej pęd również się zmienia. Ścianki przewodów muszą działać na wodę siłą, aby zmusić ją do skrętu. Zgodnie z trzecią zasadą dynamiki woda działa na ścianki siłą przeciwnie skierowaną.

Nie wystarczy jednak dodać sił w jednym punkcie. Zraszacz obraca się wokół osi, dlatego liczy się moment siły, czyli również odległość miejsca działania siły od osi. Ta sama siła przyłożona blisko środka wywoła mniejszy moment niż na końcu długiego ramienia.

Praktyczny schemat analizy obejmuje pięć kroków:

1. Wyznaczenie granicy badanego układu.
2. Określenie, gdzie woda wpływa i gdzie wypływa.
3. Ustalenie kierunku oraz prędkości strumieni.
4. Obliczenie momentu pędu przenoszonego przez ciecz.
5. Uwzględnienie tarcia, lepkości i momentu bezwładności.

W szkolnym modelu można pominąć część strat i skoncentrować się na kierunkach. Gdy woda opuszcza układ z momentem pędu zgodnym z ruchem wskazówek zegara, korpus otrzymuje moment przeciwny. Jeżeli wewnętrzna geometria odwraca znak strumienia momentu pędu, odwraca się także kierunek ruchu urządzenia.

Dlaczego rozwiązanie ma znaczenie poza fizyczną ciekawostką

Badanie przepływu w zakrzywionych przewodach ma zastosowanie w konstrukcji turbin, pomp, układów chłodzenia, mikroukładów przepływowych i urządzeń napędzanych cieczą lub gazem. W każdym z nich płyn może wywoływać siły, drgania oraz momenty obrotowe, których nie da się przewidzieć wyłącznie na podstawie średniego ciśnienia.

Znaczenie ma także trwałość urządzeń. Nieplanowany moment pędu może obciążać łożyska, uszczelnienia i mocowania. W instalacjach o dużym przepływie nawet niewielka asymetria kanałów może prowadzić do wibracji lub nierównomiernego zużycia.

Nowe wyniki pokazują również, dlaczego geometria nie jest jedynie obudową przepływu. Kształt rur aktywnie ustala kierunek prędkości cieczy, a przez to moment pędu i reakcję mechaniczną całej konstrukcji.

Wnioski można odnieść między innymi do:

• turbin wodnych i gazowych;
• wirników pomp;
• dysz sterujących;
• systemów chłodzenia;
• przewodów transportujących ciecze;
• mikrorobotów napędzanych przepływem;
• urządzeń medycznych z pompami;
• układów mieszających;
• instalacji wykorzystujących sprężone powietrze;
• systemów odzyskiwania energii z przepływu.

Zraszacz Feynmana obraca się zatem „w złą stronę” tylko z perspektywy uproszczonej intuicji. Z punktu widzenia mechaniki ruch jest zgodny z bilansem momentu pędu. Woda wpływająca do zakrzywionych przewodów nie traci natychmiast swojego ruchu. Jej strumienie przechodzą przez urządzenie, oddziałują ze ściankami i opuszczają analizowany obszar w sposób zależny od geometrii.

Pytania i odpowiedzi

W którą stronę obraca się zraszacz Feynmana?

Podczas zasysania wody może obracać się przeciwnie do zwykłego zraszacza. Ruch jest jednak znacznie wolniejszy i może pozostać niewidoczny, jeżeli tarcie łożyska jest zbyt duże.

Czy odwrócony zraszacz zawsze się obraca?

Nie. Kierunek i wielkość ruchu zależą od geometrii ramion, przepływu, lepkości cieczy oraz oporów mechanicznych. W części układów moment jest zbyt mały, aby wprawić urządzenie w ruch.

Dlaczego zwykły zraszacz obraca się szybciej?

Woda opuszcza jego dysze jako wyraźne, szybkie strumienie przenoszące duży moment pędu. W odwróconym modelu efekt powstaje wewnątrz przewodów i jest znacznie słabszy.

Czy przyczyną obrotu jest podciśnienie?

Podciśnienie wymusza przepływ, ale samo nie wyjaśnia kierunku rotacji. Decydujący jest bilans momentu pędu wody przechodzącej przez zakrzywione przewody i centralny odpływ.

Co ma wspólnego zasada zachowania pędu ze zraszaczem?

Jeżeli woda otrzymuje moment pędu w jednym kierunku, konstrukcja musi otrzymać przeciwnie skierowaną reakcję. Całkowity moment pędu układu pozostaje zachowany, o ile nie działa odpowiednio duży moment zewnętrzny.

Kiedy rozpoczęła się dyskusja o odwróconym zraszaczu?

Pierwsze znane omówienie opublikował Ernst Mach w 1883 roku. Richard Feynman spopularyzował problem po opisaniu własnego eksperymentu przeprowadzonego w Princeton w latach 40. XX wieku.

Warto przeczytać także nasz kolejny materiał, w którym szerzej wyjaśniamy podobny temat: Dlaczego butelka pęka w zamrażarce? Co dzieje się z wodą, lodem i ciśnieniem wewnątrz pojemnika