La historia de este rompecabezas que ha tenido entretenidos a los físicos se remonta a 1880, cuando el científico Ernst Mach presentó por primera vez el problema. Sin embargo, fue Richard Feynman quien más investigó y popularizó este galimatías durante décadas. El problema: un aspersor de césped con tubos o “brazos” en forma de S, que comienzan a girar a medida que descarga líquido (agua). La pregunta: ¿Qué sucede si se aspira líquido a través de los brazos? ¿Gira o rota el dispositivo, en qué dirección, en cuyo caso, por qué?”. 

Pongámonos en contexto. El problema original de Mach apareció publicado en un número de Science of Mechanics de 1893. Estamos ante un experimento mental de física que trata de explicar el funcionamiento de la inversión de un aspersor de jardín ordinario. Dicho experimento plantea qué sucedería si uno de estos aspersores se sumergiera totalmente en agua y esta fuera absorbida a través de él, fluyendo inversamente.

Sí, inyectar agua a los extremos del aspersor provoca un movimiento de rotación, pero los investigadores no se ponían de acuerdo en si girará en el mismo sentido, en el contrario, o simplemente no girará. En definitiva, un experimento para comprender la dinámica de fluidos.

Ahora, más de un siglo después de que fuera formulado el problema, un nuevo estudio llevado a cabo por investigadores de la Universidad de Nueva York parece haber dado con la solución. 

Al parecer, realizaron pruebas de campo para comprender mejor la dinámica de los fluidos que fluyen y su impacto en las estructuras de los rociadores. Según ha explicado Leif Ristroph, profesor asociado del Instituto Courant de Ciencias Matemáticas de la Universidad de Nueva York:

Nuestro estudio resuelve el problema combinando experimentos de laboratorio de precisión con modelos matemáticos que explican cómo funciona un aspersor inverso.

¿Cómo lo lograron? Para investigar la física subyacente de este rompecabezas clásico, el equipo creó dispositivos de aspersores personalizados que les permitieron ver y analizar el flujo de agua.

El primer paso para comprender el desafío es sumergir el aspersor en agua y hacerlo girar. Esto debe ocurrir con la menor fricción posible en cualquier dirección. En el movimiento de avance estándar, el movimiento del aspersor es impulsado por propulsión a chorro. En la versión inversa, el aspersor sigue siendo impulsado por propulsión a chorro pero con una velocidad de rotación promedio aproximadamente 50 veces más lenta.

Y es que el equipo de investigadores explica que los aspersores estaban sumergidos en agua dentro de un sistema que podía controlar la entrada o salida de agua a velocidades ajustables. Además, diseñaron un “cojinete giratorio de fricción ultrabaja” para permitir que el dispositivo gire libremente en respuesta al flujo de fluido.

Luego, para obtener una visión más detallada del proceso de aspersión inversa, se pusieron en el agua tintes y una combinación de mezcla de micropartículas. Por último, iluminaron la mezcla con láseres y utilizaron cámaras de alta velocidad para registrar los flujos. Según Ristroph:

Descubrimos que el aspersor inverso gira en dirección ‘inversa’ u opuesta cuando aspira agua y cuando la expulsa, y la causa es sutil y sorprendente. El aspersor regular o ‘de avance’ es similar a un cohete, ya que se impulsa disparando chorros. Pero el aspersor inverso es misterioso porque el agua que se aspira no parece en absoluto chorros. Descubrimos que el secreto está escondido dentro del aspersor, donde efectivamente hay chorros que explican los movimientos observados.

Los brazos formados en el aspersor inverso arrojaron el agua ligeramente fuera del centro, creando un movimiento “pequeño pero mensurable”, explican. El flujo es asimétrico, dando lugar a los peculiares perfiles observados en los distintos experimentos.

Los hallazgos, publicados en Physical Review Letters, pueden tener un gran número de implicaciones prácticas, en particular, en la creación de dispositivos que respondan al flujo de aire o agua.