كما نعلم ، فإن أي جسم يطفو في سائل سيتوقف عاجلاً أم آجلاً بسبب قوى الاحتكاك اللزج ، إذا لم تدعم حركته أي محرك. ولكن هناك سوائل تسمى سوائل فائضة لا يوجد فيها احتكاك لزج
(*) . وأشهر مثال على الموائع الفائقة هو
الهيليوم السائل ، المبرد على الأقل 2.17 درجة فوق درجة الحرارة المطلقة.
تتجلى الحركة مع الغياب الكامل للزوجة في العديد من التأثيرات المثيرة للإعجاب: يتدفق الهليوم الفائق السوائل بسهولة عبر أضيق الشقوق والشقوق ، وهو قادر على التدفق إلى ما لا نهاية في دائرة
(**) ويتدفق خارج الوعاء من خلال أنحف فيلم سائل ملتصق بجدرانه. كل هذه الظواهر هي أمثلة على التأثيرات الكمية واسعة النطاق.
في
مقال نظري حديث ، تم النظر في السؤال: هل من الممكن السباحة في سائل فائض؟ وبعبارة أخرى ، هل يمكن للسباح الافتراضي ، الذي يحرك ذراعيه وساقيه ، أن يخلق قوة جر تسمح له بالتسارع أو الإبطاء دون استخدام قوة الاحتكاك اللزج؟
يمكن للمرء أن يدرك عدم تافه الجواب على هذا السؤال من خلال النظر في سلوك السوائل العادية والسوائل الزائدة في التفاعل مع الهيئات. كما هو موضح في الشكل ، يمكن صنع سائل عادي للتحرك ، سواء دفعه بسطح جسم صلب وسحبه مع نفسه بسبب قوى الاحتكاك اللزج. في سائل فائق السوائل ، لن يعمل الأخير: لا يوجد احتكاك فيه ، ويمكن دفعه فقط ، الأمر الذي سيجعل ، كما سنرى ، بعض أساليب السباحة مستحيلة.
لتحليل المبادئ العامة للظواهر الفيزيائية ، من المعتاد النظر في نماذج بسيطة من "الخيول الكروية في الفراغ". المقالة قيد المناقشة ليست استثناء: فقد اعتبرت نموذج "السباحين" للهيئة ذات الجسد وثلاثة أجسام ، وهما جسمان وثلاثة أشكال بيضاوية متصلة بـ "المفاصل". يمكن للسباحين تحريك السوائل البيضاوية ، والانحناء والمفاصل. إذا تمكن السباح من الخروج من السائل المحيط به ، فسوف يخلق قوة جر ويبدأ في التحرك.
السباح ذو الجسمين يشبه الرخويات ذات الصدفتين ويمكنه محاولة السباحة من خلال تغيير الزاوية بشكل دوري بين بيضاويته مثل الفراشة التي ترفرف جناحيها. ومع ذلك ، تظهر الحسابات أنه لن يكون قادرًا على السباحة: مع وجود موجة ، يتحرك السباح ذهابًا وإيابًا ، ولكن في المتوسط يبقى في مكانه (
هنا يمكنك مشاهدة فيديو لحركاته البسيطة).
أعلاه: شكل كثافة سائل فائق في نقاط زمنية مختلفة. المناطق الزرقاء التي يخرج منها السائل هي بيضاوي الشكل للسباح ذي الجسمين.
أدناه: إحداثيات السباح كدالة للوقت.
يمكن رسم أوجه التشابه بين هذه النتائج
ونظرية التقوقع في بورسيل . تقول هذه النظرية المهمة لنظرية السباحة أن الرخويات ذات الصدفتين ، التي تفتح غلافها وتغلقه ببطء في سائل لزج ، لن تطفو في أي مكان ، طالما أن حركاتها قابلة للعكس في الوقت المناسب. يعني هذا الأخير أن الفتح والإغلاق الدوريين للوحات الصدفة لا يغيران مظهرهما عندما يبدأ الوقت في الاتجاه المعاكس (يمكنك تخيل مقطع فيديو يبدو متخلفًا بنفس الطريقة كما في التشغيل العادي). في حالتنا ، لا يحتوي السائل على اللزوجة ، وليست نظرية بورسيل هي التي تعمل ، ولكن نظيرتها لسائل فائق السوائل.
بالاعتماد على تقرير إدوارد بورسيل (حائز على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1952).يتغير الوضع عندما يبدأ سباح ذو جسمين في تأرجح القطع الناقص له بتواتر أكبر. إذا تجاوزت سرعتها سرعة الصوت في سائل ، فإن الموجات الصوتية والدوامات
(***) تبدأ في الانبعاث. تحمل هذه الإثارة معهم دفعة معينة ، والتي ، بسبب الارتداد ، تجعل السباح يتحرك. يوضح الشكل أنه في هذه الحالة ، تتقلب إحداثياته ، ولكن ينخفض بشكل عام مع مرور الوقت ، مما يعني أن السباح يتحرك من اليمين إلى اليسار. بعد عشرة تقلبات (على يمين الخط المتقطع في الرسم البياني) ، يتوقف اللوح ، ويستمر السباح في التحرك عن طريق القصور الذاتي (
فيديو ).
يمكنك تجربة نوع آخر من حركة السباح ، عندما تغلق جناحيه وتتحرك ليس فقط في الاتجاه الصحيح ، ولكن بالتناوب في اتجاهين. تشبه هذه الحركات المتناظرة أجنحة ترفرف فراشة. تظهر الحسابات أنه في هذه الحالة ، يتم إثارة العديد من الدوامات الكمية (تكون مرئية في الشكل على شكل دوائر صغيرة) ، ولكن ، بشكل عام ، السباحة ليست فعالة للغاية. والسبب هو أن نفس العدد من الدوامات متحمس تقريبًا ، حيث يتحرك إلى اليمين وإلى اليسار ، كما أن النبضات التي تحملها تلغي بعضها البعض إلى حد كبير (
فيديو ).
اعتبر الآن سباحاً بثلاثة أجسام. لديه ميزة مهمة على الجسمين: يمكنه التملص ، مما يجعل الحركات اعوجية لا تمر في نفسها عندما ينعكس الوقت. هذا يعني أن نظرية بورسيل لا تنطبق عليه ، ويجب عليه السباحة حتى مع الحركات البطيئة. تؤكد الحسابات الموضحة في الشكل هذا التخمين: عند تحريك الحركات ، يتحرك السباح بثقة أفقيًا ، بينما يتحول قليلاً عموديًا (
فيديو ).
أعلاه: شكل كثافة سائل فائق في نقاط زمنية مختلفة. المناطق الزرقاء حيث يتم دفع السوائل إلى الخارج هي السوائل البيضوية للسباح بثلاثة أجسام.
أدناه: إحداثيات أفقية (X) ورأسية (Y) للسباح كدالة للوقت.ما هو التطبيق الذي يمكن العثور عليه للنتائج التي تم الحصول عليها؟ يبدو أن مهمة السباحة في السائل الزائد ليست ذات صلة خاصة في الممارسة العملية ، ولكن هناك مجال واحد يمكن أن يكون مفيدًا فيه. في الآونة الأخيرة ، تم تطوير التجارب مع تكثف بوز
والسيولة الفائقة للغازات الذرية شديدة البرودة بنشاط ، والتي توجد بها خطط كبيرة لإنشاء أجهزة محاكاة الكم ، وأجهزة الكمبيوتر الكمومية ، والنمذجة التجريبية للحالات الغريبة للمادة. في مثل هذه الأنظمة ، من الممكن إنشاء جلطات من غاز فائق السوائل من نوع مغمور في غاز فائض من نوع آخر. إذا تمكنا من تشويه المجموعة كما نحتاج (ويمكن القيام بذلك بمساعدة أشعة الليزر) ، فسيكون من الممكن جعل هذه المجموعة تسبح ، بدءًا من الغاز المحيط. يوضح الشكل الحسابات التي توضح هذا الاحتمال: عندما لا تكون التغييرات في شكل المجموعة قابلة للعكس في الوقت المناسب ، فإنها تمكنت بالفعل من التحرك (
فيديو ).
لذا ، نرى أنه من الضروري السباحة في سائل زائد بحكمة: تضمن نظرية بورسيل أننا لا نستطيع السباحة إذا تزامنت حركات ذراعينا وأرجلنا مع أنفسنا عند اللعب في الاتجاه المعاكس. لبدء التحرك ، سنحتاج إما إلى التحرك أسرع من الصوت (الذي يمثل مشكلة) ، أو التملص مثل الثعبان ، مما يعطل انعكاس الحركات في الوقت المناسب. هذه الاستنتاجات معروفة جيدًا للكائنات الحية الدقيقة التي تطفو في سائل لزج: من أجل التحايل على نظرية بورسيل ، يجب عليهم استخدام السوط الدوارة الحلزونية ، وهي نظائر السباح ثلاثي الجسم الذي يتم النظر فيه هنا.
وبحسب المقال :
هيروكي سايتو ، هل يمكننا السباحة في سوائل فائضة؟: عرض رقمي للدفع الذاتي في بوز - أينشتاين مكثف ، مجلة الجمعية الفيزيائية في اليابان 84 ، 114001 (2015).(*) في الواقع ، هذا ليس صحيحًا تمامًا: يمكن تمثيل أي سائل فائق حقيقي كمزيج من المكونات "العادية" والموائع الفائقة ( نموذج ثنائي السوائل ) ، وسيظل المكون الطبيعي يبطئ الجسم المتحرك. ومع ذلك ، فإن هذا لا يمنع مكون المائع الفائق من التحرك بالكامل دون احتكاك.
(**) من الناحية العملية ، يمكن أن يخفف التدفق الدائري للهيليوم فائق السوائل ، ولكن ليس بسبب اللزوجة ، ولكن بسبب العملية الميكانيكية الكمومية - انزلاق الدوامات الكمية. لم يلاحظ أي توهين ملحوظ في التجارب لمدة 18 ساعة.
(***) الدوامات التي تنشأ في المائع الفائق ليست مجرد دوامات مثل الأعاصير الصغيرة ، ولكن الإثارة الطوبولوجية الكمية . على عكس الدوامات العادية ، لا يمكن أن تختفي ببساطة بسبب التوهين التدريجي للتدفق.