Richard Feynman était un physicien sérieux qui aimait répondre à des questions peu sérieuses. Les mathématiques peuvent-elles vous dire comment commander le déjeuner optimal? Un humain peut-il suivre les odeurs comme un limier peut le faire en sentir ses propres empreintes? Aujourd’hui, les chercheurs ont repéré l’une des questions les plus curieuses sans réponse de Feynman en examinant la physique des arroseurs « idiots ».
Un arroseur de pelouse typique doté d’une buse en forme de S tourne dans une direction donnée lorsqu’il crache de l’eau par ses deux ouvertures. Mais si vous jetez cet arroseur dans une piscine et que vous le branchez à un aspirateur pour qu’il aspire l’eau au lieu de la pulvériser, dans quel sens tournera-t-il : dans le même sens qu’avant, ou dans le sens inverse ?
Feynman posé cette question en tant qu’étudiant diplômé de Princeton dans les années 1940. Selon le récit de Feynman, il aurait installé un arroseur en verre dans le laboratoire de son université. Il eut un bref « tremblement », puis bougea à peine alors même qu’il augmentait la pression. Il répéta le processus jusqu’à ce que le verre se brise, laissant la réponse ambiguë. Depuis lors, des décennies d’expériences de suivi ont donné lieu à toutes les réponses possibles – l’arroseur tourne dans un sens, tourne dans l’autre, tremble d’avant en arrière ou ne bouge pas du tout – en fonction du soin avec lequel les tests ont été construits.
En 2024, une équipe de l’Université de New York dirigée par un mathématicien appliqué et physicien expérimental Leif Ristroph a tenté une première fois la question, constatant que le l’arroseur inversé tourne à l’opposé d’un arroseur avant. Mais cette explication n’a été testée que sur des arroseurs ordinaires en forme de S, et elle n’a pas encore été directement comparée à deux autres théories dominantes.
L’une d’elles, qui remonte au physicien autrichien Ernst Mach, soutient que le moment cinétique total de l’eau tourbillonnante à l’intérieur des bras de l’arroseur doit être équilibré par une rotation opposée de l’arroseur lui-même. L’autre, associé à Feynman lui-même, se concentre sur les effets de pression et d’aspiration directement au niveau des buses extérieures.
L’équipe de Ristroph a donc demandé : et si l’arroseur n’avait pas du tout la forme d’un arroseur ? Et si ses bras s’enroulaient en spirale, se courbaient dans le mauvais sens ou se repliaient sur eux-mêmes ?
Dans une nouvelle étude publiée le 13 juillet dans la revue PNASles chercheurs ont construit sept arroseurs délibérément « idiots » avec des géométries de bras inhabituelles pour opposer les principales théories les unes aux autres. Cela comprend un arroseur avec des bras qui tournent plusieurs fois en spirale pour maximiser le moment cinétique de l’eau, et un autre avec un contre-courbe au niveau de la buse.
Ce faisant, ils ont démoli les deux idées. Si Mach avait raison, la conception en spirale aurait dû tourner de manière radicalement différente. Si Feynman avait raison, inverser la courbure de la buse aurait dû inverser la direction de l’arroseur. Ni l’un ni l’autre ne s’est produit.
« Nous avons été obligés de dire : ‘Feynman et ses partisans, vous partez' », a déclaré Ristroph à Live Science.
L’arroseur à bras en spirale, destiné à tester la théorie de Mach, était tout aussi inflexible. Même si le fluide à l’intérieur transportait un moment cinétique beaucoup plus important, « le solide s’en souciait à peine », a déclaré Ristroph.
Les trois mesures des sept modèles indiquaient plutôt le moyeu central de l’arroseur, là où les bras se rejoignent. Là, l’eau entrante entre en collision et tourbillonne, générant un flux de moment cinétique à l’intérieur du dispositif contre lequel la structure solide repousse. La découverte suggère que l’arroseur inversé n’est rien de plus qu’une version inversée d’un arroseur avant régi par la même physique se déroulant aux extrémités opposées des bras.
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Ristroph a souligné que ce résultat a été rendu possible grâce à Jesse Smith, qui vient de terminer son doctorat en physique à NYU alors qu’il travaillait sur le projet, avec une petite équipe d’étudiants de Ristroph et un collaborateur de longue date de Ristroph. Brennan Saupoudrerun expert en dynamique des fluides computationnelle à la Colorado School of Mines dont le nom de famille est une coïncidence.
Aujourd’hui, l’équipe construit des simulations informatiques pour tester si le modèle quantité de mouvement-flux résiste au-delà des conditions d’écoulement déjà étudiées, et elle espère éventuellement le dériver des équations fondamentales de la dynamique des fluides.
Ristroph a déclaré que ce problème « idiot » a des applications dans le monde réel : comprendre comment les canaux courbes convertissent le flux de fluide en force de rotation pourrait éclairer la conception de turbines et d’autres dispositifs récupérant l’énergie du vent et des courants d’eau.
« Si nous pouvons faire quelque chose qui aiderait les ingénieurs à concevoir des appareils permettant de mieux utiliser toutes les énormes quantités d’énergie éolienne et hydraulique que nous avons tout autour de nous », a-t-il déclaré, « ce serait, bien sûr, une chose fantastique ».
