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.
|