कैसे एक सुपरफ्लूड में तैरना है

जैसा कि हम जानते हैं, किसी भी तरल पदार्थ में तैरता हुआ कोई भी शरीर चिपचिपा घर्षण की ताकतों के कारण जल्दी या बाद में बंद हो जाएगा, अगर इसके आंदोलन को किसी भी इंजन द्वारा समर्थित नहीं किया गया है। लेकिन सुपरफ्लुइड्स नामक तरल पदार्थ होते हैं जिसमें चिपचिपा घर्षण अनुपस्थित होता है ^(*) । सुपरफ्लूड का सबसे प्रसिद्ध उदाहरण तरल हीलियम है , जो पूर्ण शून्य तापमान से कम से कम 2.17 डिग्री ऊपर ठंडा है।

चिपचिपाहट की पूर्ण अनुपस्थिति के साथ आंदोलन कई प्रभावशाली प्रभावों में प्रकट होता है: सुपरफ्लूड हीलियम आसानी से सबसे संकीर्ण दरारें और दरारों के माध्यम से बहती है, एक सर्कल ^(**) में अंतहीन रूप से प्रवाह करने में सक्षम है और सबसे पतली तरल फिल्म के माध्यम से पोत की दीवारों से बाहर निकलती है। ये सभी घटनाएं बड़े पैमाने पर क्वांटम प्रभाव के उदाहरण हैं।

एक हालिया सैद्धांतिक लेख में , इस सवाल पर विचार किया गया था: क्या सुपरफ्लूड तरल में तैरना संभव है? दूसरे शब्दों में, एक काल्पनिक तैराक, अपने हाथों और पैरों को हिलाकर, एक कर्षण बल बना सकता है जो उसे चिपचिपे घर्षण के बल का उपयोग किए बिना तेज या धीमा करने की अनुमति देता है?

इस सवाल के जवाब की गैर-तुच्छता का एहसास शरीर के साथ बातचीत में सामान्य और सुपरफ्लुइड तरल पदार्थों के व्यवहार पर विचार करके किया जा सकता है। जैसा कि चित्र में दिखाया गया है, एक सामान्य तरल पदार्थ को स्थानांतरित करने के लिए बनाया जा सकता है, दोनों इसे एक ठोस शरीर की सतह के साथ धकेलते हैं और चिपचिपा घर्षण बलों के कारण इसे अपने साथ खींचते हैं। एक सुपरफ्लुइड तरल में, बाद वाला काम नहीं करेगा: इसमें कोई घर्षण नहीं है, और इसे केवल धक्का दिया जा सकता है, जिसे हम देखेंगे, कुछ तैराकी विधियों को असंभव बनाता है।



भौतिक घटनाओं के सामान्य सिद्धांतों का विश्लेषण करने के लिए, "वैक्यूम में गोलाकार घोड़ों" के सरल मॉडल पर विचार करना प्रथा है। चर्चा के तहत लेख कोई अपवाद नहीं है: यह दो-शरीर और तीन-शरीर मॉडल "तैराकों" पर विचार करता है, जो "जोड़ों" से जुड़े दो और तीन दीर्घवृत्त हैं। तैराक अपने दीर्घवृत्त, झुकने और असहनीय जोड़ों को स्थानांतरित कर सकते हैं। यदि तैराक आसपास के तरल पदार्थ से धक्का देने का प्रबंधन करता है, तो वह कर्षण पैदा करेगा और चलना शुरू कर देगा।



एक दो-बॉडी तैराक एक बाइवलेव मोलस्क की तरह दिखता है और समय-समय पर अपने अंडाकार के बीच के कोण को बदलकर तैरने की कोशिश कर सकता है जैसे कि तितली अपने पंखों को फड़फड़ाती है। हालांकि, गणना से पता चलता है कि वह तैरने में सक्षम नहीं है: एक लहर के साथ, तैराक आगे और पीछे चलता है, लेकिन औसतन जगह पर रहता है ( यहां आप उसके सादे आंदोलनों का वीडियो देख सकते हैं)।


ऊपर: समय में विभिन्न बिंदुओं पर सुपरफ्लूड तरल का घनत्व प्रोफ़ाइल। जिन नीले क्षेत्रों से द्रव को बाहर निकाला जाता है वे दो-शरीर के तैराक के दीर्घवृत्त होते हैं।
नीचे: समय के एक समारोह के रूप में तैराक का समन्वय।


इन परिणामों और पर्सेल के स्कैलप प्रमेय के बीच समानताएं खींची जा सकती हैं। तैराकी सिद्धांत के इस महत्वपूर्ण प्रमेय में कहा गया है कि एक द्वीपीय मोलस्क, एक चिपचिपे तरल में धीरे-धीरे अपने खोल को खोलना और बंद करना, कहीं भी फ्लोट नहीं करेगा, जब तक कि इसकी चाल समय में प्रतिवर्ती नहीं होती। उत्तरार्द्ध का मतलब है कि समय-समय पर खोलना और खोलना बंद होना उनके स्वरूप को नहीं बदलता है जब समय विपरीत दिशा में शुरू होता है (आप एक वीडियो की कल्पना कर सकते हैं जो सामान्य प्लेबैक के दौरान पीछे की तरह दिखता है)। हमारे मामले में, तरल में कोई चिपचिपापन नहीं है, और यह पर्ससेल प्रमेय नहीं है जो काम करता है, लेकिन एक सुपरफ़्लुइड तरल के लिए इसका एनालॉग।


एडवर्ड पुरसेल (1952 में भौतिकी में नोबेल पुरस्कार विजेता) की एक रिपोर्ट से आकर्षित।

स्थिति तब बदल जाती है जब एक दो-बॉडी तैराक अपने दीर्घवृत्त को अधिक आवृत्ति के साथ स्विंग करना शुरू कर देता है। यदि उनकी गति किसी तरल में ध्वनि की गति से अधिक हो जाती है, तो ध्वनि तरंगें और भंवर ^(***) उत्सर्जित होने लगते हैं। इन उत्तेजनाओं को एक निश्चित आवेग के साथ ले जाते हैं, जो पुनरावृत्ति के कारण तैराक को स्थानांतरित कर देता है। आंकड़ा दर्शाता है कि इस मामले में, इसका समन्वय उतार-चढ़ाव करता है, लेकिन कुल मिलाकर समय के साथ घटता है, जिसका अर्थ है कि तैराक दाएं से बाएं चलता है। दस उतार-चढ़ाव (ग्राफ में धराशायी लाइन के दाईं ओर) के बाद, फ्लैप बंद हो जाता है, और तैराक जड़ता ( वीडियो ) द्वारा आगे बढ़ना जारी रखता है।



आप तैराक के एक अन्य प्रकार के आंदोलन की कोशिश कर सकते हैं, जब उसके पंख बंद हो जाते हैं और न केवल सही दिशा में अलग हो जाते हैं, बल्कि वैकल्पिक रूप से दो दिशाओं में। इस तरह के सममित आंदोलन एक तितली के पंख फड़फड़ाने के समान हैं। गणना से पता चलता है कि इस मामले में, कई मात्रा वाले vortices उत्साहित हैं (वे छोटे सर्कल के रूप में आंकड़े में दिखाई देते हैं), लेकिन, सामान्य तौर पर, तैराकी बहुत प्रभावी नहीं है। कारण यह है कि लगभग समान संख्या में भंवर उत्तेजित होते हैं, दोनों दाएं और बाएं चलते हैं, और उनके द्वारा किए गए दालों को बड़े पैमाने पर एक दूसरे को रद्द कर देते हैं ( वीडियो )।



अब एक तीन-शरीर तैराक पर विचार करें। दो-शरीर एक पर उसका एक महत्वपूर्ण लाभ है: वह झटके लगा सकता है, जिससे सर्पिल चालन हो सकता है जो समय के विपरीत अपने आप में नहीं गुजरता है। इसका अर्थ है कि पर्सेल का प्रमेय उस पर लागू नहीं होता है, और उसे धीमी चाल से भी तैरना चाहिए। आकृति में दिखाए गए गणना इस अनुमान की पुष्टि करते हैं: जब झगड़े की गतिविधियां होती हैं, तो तैराक आत्मविश्वास से क्षैतिज रूप से आगे बढ़ता है, जबकि लंबवत रूप से शिफ्टिंग ( वीडियो )।


ऊपर: समय में विभिन्न बिंदुओं पर सुपरफ्लूड तरल का घनत्व प्रोफ़ाइल। जिन नीले क्षेत्रों में द्रव को धकेला जाता है वे तीन-शरीर वाले तैराक के दीर्घवृत्त हैं।
नीचे: क्षैतिज (एक्स) और ऊर्ध्वाधर (वाई) समय के एक समारोह के रूप में तैराक के निर्देशांक।

प्राप्त परिणामों के लिए क्या आवेदन पाया जा सकता है? ऐसा लगता है कि सुपरफ्लूड में तैराकी का कार्य विशेष रूप से व्यवहार में प्रासंगिक नहीं है, लेकिन एक क्षेत्र है जहां यह उपयोगी हो सकता है। हाल ही में, बोस संघनन और पराबैंगनी परमाणु गैसों की सुपरफ्लुएंटी के साथ प्रयोग सक्रिय रूप से विकसित हो रहे हैं, जिसके साथ क्वांटम सिमुलेटर, क्वांटम कंप्यूटर और मामले के विदेशी राज्यों के प्रयोगात्मक मॉडलिंग बनाने की बड़ी योजनाएं हैं। ऐसी प्रणालियों में, एक प्रकार की सुपरफ्लुइड गैस के थक्के बनाना संभव है, जो दूसरे प्रकार के सुपरफ्लूड गैस में डूबे हुए होते हैं। यदि हम गुच्छा को विकृत कर सकते हैं जैसा कि हमें ज़रूरत है (और यह लेजर बीम की मदद से किया जा सकता है), तो आसपास के गैस से शुरू होने वाले इस गुच्छा को तैरना संभव होगा। यह आंकड़ा इस संभावना को प्रदर्शित करने वाली गणनाओं को दर्शाता है: जब गुच्छा के आकार में परिवर्तन समय में प्रतिवर्ती नहीं होते हैं, तो यह वास्तव में स्थानांतरित करने ( वीडियो ) का प्रबंधन करता है।



इसलिए, हम देखते हैं कि सुपरफ्लुइड तरल पदार्थ में बुद्धिमानी से तैरना आवश्यक है: पर्सेल की प्रमेय गारंटी देता है कि हम तैर नहीं सकते हैं यदि विपरीत दिशा में खेलते समय हमारे हाथ और पैर की हरकतें हमारे साथ मेल खाती हैं। हिलना शुरू करने के लिए, हमें या तो ध्वनि (जो समस्याग्रस्त है) की तुलना में तेजी से आगे बढ़ना होगा, या सांप की तरह झटके, समय में आंदोलनों की प्रतिवर्तीता को बाधित करेगा। इन निष्कर्षों को एक चिपचिपा तरल में तैरने वाले सूक्ष्मजीवों के लिए अच्छी तरह से जाना जाता है: पुरसेल की प्रमेय को दरकिनार करने के लिए, उन्हें सर्पिल घूर्णन फ्लैगेला का उपयोग करना पड़ता है, जो यहां माना जाने वाले तीन-शरीर तैराक के एनालॉग हैं।

लेख के अनुसार:
हिरोकी सैटो, क्या हम सुपरफ्लुइड्स में तैर सकते हैं ?: बोस में स्व-प्रणोदन का संख्यात्मक प्रदर्शन - आइंस्टीन कंडेनसेट, जर्नल ऑफ द फिजिकल सोसाइटी ऑफ जापान 84, 114001 (2015)।

^(*) वास्तव में, यह पूरी तरह से सच नहीं है: किसी भी वास्तविक सुपरफ्लूड तरल को "सामान्य" और सुपरफ्लूड घटकों ( दो-तरल मॉडल ) के संयोजन के रूप में दर्शाया जा सकता है, और सामान्य घटक अभी भी चलती शरीर को धीमा कर देगा। हालांकि, यह सुपरफ्लूड घटक को बिना घर्षण के पूरी तरह से बढ़ने से नहीं रोकता है।

^(**) व्यवहार में, सुपरफ्लुइड हीलियम के वृत्ताकार प्रवाह को देख सकते हैं, लेकिन चिपचिपाहट के कारण नहीं, बल्कि क्वांटम-यांत्रिक प्रक्रिया के कारण - परिमाणित भंवरों का फिसलन। 18 घंटे के प्रयोगों में कोई ध्यान देने योग्य क्षीणन नहीं देखा गया।

^(***) सुपरफ्लुइड में उत्पन्न होने वाले भंवर केवल छोटे बवंडर की तरह भंवर नहीं होते हैं, बल्कि सामयिक उत्तेजना वाले होते हैं । साधारण भंवरों के विपरीत, वे प्रवाह के क्रमिक क्षीणन के कारण बस गायब नहीं हो सकते हैं।