Новости науки 22.02.01 Затухание турбулентности в сверхтекучей жидкости

В работе английских физиков [M.Leadbeater et al, Phys.Rev.Lett.86 (2001) 1410] исследовался процесс диссипации энергии при распаде турбулентности в сверхтекучей жидкости. Численное моделирование показало, что при низких температурах излучение звука при объединении и рекомбинации вихрей играет роль достаточно эффективного "стока" энергии.

Как мы знаем из повседневного опыта, сильно развитая турбулентность в жидкостях постепенно затухает, "распадается". Согласно классической картине Ландау-Колмогорова в случае обычных жидкостей распад турбулентности происходит благодаря дроблению вихрей, а энергия, запасенная в турбулентности, в конце концов рассеивается за счет вязкого трения.

Ситуация, однако, не столь проста в случае турбулентности в сверхтекучей жидкости, например, в жидком гелии. С одной стороны, есть экспериментальный факт: турбулентность в сверхтекучей жидкости распадается даже при самых низких температурах (милликельвины и менее). С другой стороны, рождение тепловых возбуждений за счет остаточного трения -- слишком неэффективный способ рассеивать энергию при таких температурах. Таким образом, рассеяние энергии в этом случае должно иметь другую природу.

За последние годы было предложено несколько идей относительно того, куда и как может исчезать энергия турбулентности. Одна из этих идей заключалась в том, что в сильной турбулентности процессы объединения и рекомбинации вихрей должны сопровождаться излучением звуковых колебаний. Важно то, что этот процесс происходит при любых температурах, в том числе и тогда, когда тепловое рождение звуковых колебаний пренебрежимо мало.

До сих пор, однако, эта идея не была явно проверена. Это, наконец, было проделано в работе [M.Leadbeater et al, Phys.Rev.Lett.86 (2001) 1410], где проводилось численное моделирование процесса слияния двух вихрей. Стандартный численный анализ динамики вихрей базируется на эйлеровых уравнениях несжимаемой жидкости, а значит, он не может описать появления звука. Поэтому для решения задачи в качестве базовой модели взаимодействия вихрь-звук было взято уравнение Гросса-Питаевского.

Моделирование показало, что в зависимости от угла между осями вращения сливающихся вихрей выделяется различная энергия, которая идет на создание волны разрежения. Распространяясь, волна разрежения эволюционирует в звуковую волну. Особо было отмечено сильное возрастание энергии, уносимой звуком, при антипараллельной ориентации двух вихрей. Это, по-видимому, означает, что рождение звука за счет рекомбинации противоположно направленных вихрей в самом деле эффективный способ гасить турбулентность в сверхтекучей жидкости.

перейти к началу страницы