Los científicos afirman haber resuelto en detalle el que podría ser el problema más famoso relacionado con el cuidado del césped en toda la física.

El llamado problema del aspersor de Feynman recibe su nombre de uno de los físicos más conocidos del siglo XX, Richard Feynman , aunque no fue el primero en plantearlo ni pudo resolverlo.

El problema es el siguiente: imagina un aspersor de césped sumergido bajo el agua, donde el agua es succionada por sus brazos en lugar de ser expulsada. ¿Gira el aspersor en la misma dirección que antes, gira en sentido contrario o no gira en absoluto?

Científicos liderados por Leif Ristroph, físico experimental y matemático aplicado de la Universidad de Nueva York, afirman haber resuelto esta incógnita. «Confío en que hemos aportado la respuesta experimental al problema del aspersor de Feynman», declaró el Dr. Ristroph.

Los investigadores presentan sus últimos hallazgos en un artículo publicado el lunes en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias.

“Este problema de Feynman, tal como lo planteó Feynman, está resuelto”, dijo Detlef Lohse, profesor de la Universidad de Twente en los Países Bajos, que no participó en la investigación.

Para comprender el problema del aspersor sumergido invertido, consideremos primero un aspersor de jardín convencional en forma de S que gira alrededor de un pivote central y rocía agua. El agua fluye hacia arriba por el centro y sale por las boquillas situadas en los extremos de sus dos brazos curvos, generando un empuje que hace girar el aspersor. La física que explica este movimiento —similar al de un cohete propulsado por agua— es sencilla y no genera controversia.

Pero si invertimos el flujo, el problema se vuelve complejo.

Aunque las ecuaciones que describen el movimiento del agua y del aspersor son las mismas, no existe una respuesta sencilla. Los físicos llevan debatiendo sobre ello desde que Ernst Mach, un físico austriaco, describiera el problema por primera vez en 1883.

En su libro "Seguro que está bromeando, Sr. Feynman", Feynman afirma que era un tema de debate entre los estudiantes de posgrado cuando estaba en la Universidad de Princeton en la década de 1940.

Expuso un argumento sobre cómo el aspersor inverso podría estar girando en una dirección, y luego presentó un argumento contradictorio sobre cómo podría estar moviéndose en la dirección opuesta.

No reveló cuál creía que era la respuesta, pero describió cómo había preparado un experimento para resolver la cuestión. El aparato explotó. «De repente, todo el aparato lanzó cristales y agua en todas direcciones por todo el laboratorio», escribió Feynman.

El Dr. Ristroph decidió abordar el dilema hace unos cinco años. "Estaba buscando algunos problemas difíciles sin resolver, y este me llamó mucho la atención, precisamente por su infame historia", dijo.

Uno de los colaboradores que el Dr. Ristroph reclutó fue Brennan Sprinkle, entonces un investigador postdoctoral que recién comenzaba en la NYU. "Leif dijo algo muy educado", dijo el Dr. Sprinkle. "Una versión educada de 'Oye, tienes un nombre un poco gracioso; echa un vistazo a este experimento que tengo en marcha'".

El Dr. Sprinkle visitó el laboratorio y quedó intrigado, tanto por su nombre como por la ciencia que abordaba. «Mi primera reacción fue: "Sí, esto sería divertido"», comentó. «Y luego mi segunda reacción fue: "Ah, en realidad, este es un problema profundamente contraintuitivo que resulta fascinante"».

Los teóricos habían formulado predicciones contradictorias sobre la dirección en la que debía girar el aspersor inverso. Los experimentos, incluso aquellos que no explotaron como el de Feynman, resultaron inconclusos.

Tras realizar experimentos precisos, el Dr. Ristroph y sus colegas de la Universidad de Nueva York informaron hace dos años que habían encontrado la respuesta : el aspersor sumergido que succionaba agua giraba en sentido contrario al de un aspersor típico que expulsaba agua.

El giro fue considerablemente más lento, a aproximadamente una cuadragésima parte de la velocidad habitual.

Los investigadores también tenían una explicación de por qué giraba en sentido contrario. Las curvas en los brazos del aspersor creaban una fuerza que desviaba los dos chorros de agua entrantes.

“Si eres un coche y giras a la derecha, sentirás una fuerza, una fuerza de inercia, que va en la dirección opuesta”, dijo el Dr. Sprinkle.

En el fluido, la fuerza desplazó los chorros de manera que no chocaran de frente, creando una fuerza de torsión que hizo girar el aspersor.

No todos estaban convencidos.

“Nunca había recibido tantos mensajes de odio”, dijo el Dr. Ristroph.

Debido a la complejidad de la dinámica de los fluidos en movimiento, los críticos se preguntaban: ¿cómo podían los investigadores estar seguros de que su experimento, que describía una configuración particular, era válido en general?

Una nueva serie de experimentos descritos en el artículo del lunes analizó qué sucedía con formas de "aspersores graciosos", probando si otros factores podrían cambiar la dirección del giro.

Por ejemplo, el argumento de Feynman para explicar por qué el aspersor inverso se movería en la dirección opuesta, tal como observaron los experimentos del Dr. Ristroph, era que la succión en los extremos de los brazos tiraría del aspersor en esa dirección.

Si eso fuera cierto, entonces añadir una segunda curvatura a cada brazo de manera que la abertura mirara en la dirección opuesta podría, presumiblemente, cambiar la dirección del giro.

«No se parece en nada, simplemente no importaba», dijo el Dr. Ristroph. El aspersor con las curvas adicionales giraba en la misma dirección que el de forma de S más simple. Lo mismo ocurría con otras variantes de aspersores. El factor más importante era la cantidad de curvatura cerca del pivote, ya que eso determinaba el desplazamiento de los dos chorros entrantes.

Según el Dr. Ristroph, las ideas alternativas son "claramente erróneas, según nuestros hallazgos". Esto le da mayor confianza en que la explicación que ofrecieron en el artículo de 2024 era correcta.

Los aspersores sumergidos que se mueven en sentido contrario no tienen mucha utilidad práctica en el mundo real, pero la investigación podría ayudar a comprender mejor los movimientos complejos e interrelacionados de un objeto sólido inmerso en el flujo de un fluido.

Ese conocimiento podría aplicarse posteriormente al diseño de sistemas como los que aprovechan la energía de las olas del océano o del viento.

El Dr. Ristroph afirmó que el problema del rociador Feynman aún no está completamente resuelto, ya que nadie ha logrado generar una simulación por computadora que muestre con exactitud cómo el agua ejerce presión sobre el rociador. El problema es complejo debido a las altas presiones dentro de los tubos del rociador y a que todo está en constante movimiento.

En eso sigue trabajando el Dr. Sprinkle, actualmente profesor de matemáticas aplicadas y estadística en la Escuela de Minas de Colorado.

“Al final, resulta ser una configuración numéricamente bastante compleja”, dijo el Dr. Sprinkle.