Физики «научились» плавать в сверхтекучей жидкости

Хироки Сайто, физик из Университета электрокоммуникаций (Токио), выяснил, возможно ли плавание в сверхтекучих жидкостях. Оказалось, что глобальный ответ да, причем в некоторых ситуациях возможно движение без возникновения колебаний в жидкости. Свою работу Хироки опубликовал на сервисе препринтов arXiv.org, а статья подана к публикации в Journal of the Physical Society of Japan.

Хироки провел численное моделирование движения различных тел в сверхтекучих средах, подобных жидкому гелию-II при температурах ниже 2 кельвинов. Такие среды характеризуются отсутствием трения между отдельными слоями движущейся жидкости. Благодаря этому сверхтекучий гелий способен вытекать из чашки, в которую он налит, поднимаясь капиллярными силами вдоль ее стенок, невзирая на поверхностное натяжение и вязкость.

Можно предположить, что поскольку плавание предполагает отталкивание от слоев жидкости, то в средах без трения оно невозможно, будучи похожим на попытку бежать по льду. Однако, математическое моделирование показало, что гипотетический пловец все же способен перемещаться в сверхтекучей среде. По словам автора, условия, предъявляемые «пловцу» очень похожи на обычные — для того, чтобы собственные движения тела придавали ему скорости, они должны быть достаточно быстрыми. Но если в классической жидкости это приводит к турбулентным потокам (высокому числу Рейнольдса), а в данном случае результат движений похож на медленное движение в вязкой жидкости (низкие числа Рейнольдса).

Сайто рассмотрел три различных модели «пловцов». Первая из них представляла собой два подвижных эллиптических объекта, соединенных между собой. Их движение напоминает собой морского гребешка. Когда его «створки» сокращались медленно, тяги в сверхтекучей жидкости не возникало. Но с увеличением скорости движения «створок» до превышающей скорость звука в среде уже после 10 колебаний «гребешок» приобретал отличную от нуля скорость. В сверхтекучем гелии скорость звука примерно равняется 20 метрам в секунду.

В случае движения «пловцов», состоящих из трех эллиптических компонент, оказалось, что их движение возможно даже без возникновения колебаний в сверхтекучей среде.

Одним из будущих направлений исследований в области движений в сверхтекучих средах, по словам Хироки Сайто, является поиск новых способов «плавания», пригодных исключительно для таких особых случаев. В частности, в них могут использоваться вихри, характерные для Бозе-Эйнштейновских конденсатов, примером которых являются сверхтекучие жидкости.