Seperti yang kita ketahui, benda apa pun yang mengambang dalam cairan cepat atau lambat akan berhenti karena gaya gesekan kental, jika gerakannya tidak didukung oleh mesin apa pun. Tetapi ada cairan yang disebut superfluida di mana tidak ada gesekan kental
(*) . Contoh superfluid yang paling terkenal adalah
helium cair , didinginkan hingga setidaknya 2,17 derajat di atas suhu nol absolut.
Pergerakan dengan tidak adanya viskositas termanifestasi dalam banyak efek yang mengesankan: helium superfluida mudah mengalir melalui retakan dan retakan tersempit, mampu mengalir tanpa henti dalam lingkaran
(**) dan mengalir keluar dari kapal melalui film cair sangat tipis yang menempel di dindingnya. Semua fenomena ini adalah contoh efek kuantum skala besar.
Dalam
artikel teoretis baru -
baru ini , pertanyaan itu dipertimbangkan: apakah mungkin untuk berenang dalam cairan superfluid? Dengan kata lain, dapatkah seorang perenang hipotetis, menggerakkan lengan dan kakinya, menciptakan kekuatan traksi yang memungkinkannya untuk mempercepat atau memperlambat tanpa menggunakan kekuatan gesekan kental?
Seseorang dapat menyadari non-triviality dari jawaban untuk pertanyaan ini dengan mempertimbangkan perilaku cairan normal dan superfluid dalam interaksi dengan tubuh. Seperti yang ditunjukkan pada gambar, cairan normal dapat dibuat untuk bergerak, baik mendorongnya dengan permukaan benda padat dan menyeretnya bersama dengan dirinya sendiri karena gaya gesekan kental. Dalam cairan superfluid, yang terakhir tidak akan bekerja: tidak ada gesekan di dalamnya, dan itu hanya bisa didorong, yang, seperti akan kita lihat, membuat beberapa metode renang tidak mungkin.
Untuk menganalisis prinsip-prinsip umum fenomena fisik, adalah kebiasaan untuk mempertimbangkan model sederhana "kuda bulat dalam ruang hampa." Artikel yang dibahas tidak terkecuali: itu dianggap sebagai "perenang" model dua tubuh dan tiga tubuh, yang merupakan dua dan tiga ellipsoid yang dihubungkan oleh "persendian". Para perenang dapat menggerakkan ellipsoid mereka, membungkuk dan sendi yang tidak membungkuk. Jika perenang berhasil mendorong keluar dari cairan di sekitarnya, ia akan membuat traksi dan mulai bergerak.
Perenang dua tubuh terlihat seperti moluska bivalve dan dapat mencoba berenang dengan secara berkala mengubah sudut antara ellipsoids seperti kupu-kupu yang mengepakkan sayapnya. Namun, perhitungan menunjukkan bahwa ia tidak akan bisa berenang: dengan ombak, perenang bergerak bolak-balik, tetapi rata-rata tetap di tempatnya (di
sini Anda dapat menonton video gerakannya yang sederhana).
Atas: profil kepadatan superfluid pada waktu yang berbeda. Area biru tempat cairan didorong keluar adalah ellipsoid dari perenang dua tubuh.
Bawah: koordinat perenang sebagai fungsi waktu.
Paralel dapat ditarik antara hasil ini dan
teorema kerang Purcell . Teorema penting teori renang ini mengatakan bahwa moluska bivalvia, perlahan membuka dan menutup cangkangnya dalam cairan kental, tidak akan mengambang di mana pun, selama gerakannya dapat dibalikkan dalam waktu. Yang terakhir berarti bahwa pembukaan dan penutupan flap shell secara berkala tidak mengubah penampilannya ketika waktu dimulai dengan arah yang berlawanan (Anda dapat membayangkan sebuah video yang terlihat mundur dengan cara yang sama seperti pada pemutaran normal). Dalam kasus kami, cairan tidak memiliki viskositas, dan bukan teorema Purcell yang bekerja, tetapi analognya dengan cairan superfluid.
Menggambar dari laporan oleh Edward Purcell (Peraih Nobel Fisika pada tahun 1952).Situasi berubah ketika perenang dua tubuh mulai mengayunkan ellipsoids-nya dengan frekuensi yang lebih besar. Jika kecepatan mereka melebihi kecepatan suara dalam cairan, gelombang suara dan vortisitas
(***) mulai dipancarkan. Kegembiraan ini membawa serta dorongan tertentu, yang, karena mundur, membuat perenang bergerak. Gambar tersebut menunjukkan bahwa dalam kasus ini, koordinatnya berfluktuasi, tetapi secara keseluruhan berkurang seiring waktu, yang berarti bahwa perenang bergerak dari kanan ke kiri. Setelah sepuluh fluktuasi (di sebelah kanan garis putus-putus dalam grafik), flap berhenti, dan perenang terus bergerak dengan inersia (
video ).
Anda dapat mencoba jenis gerakan perenang lainnya, ketika sayapnya tertutup dan bergerak terpisah tidak hanya ke arah yang benar, tetapi secara bergantian dalam dua arah. Gerakan simetris seperti ini mirip dengan mengepakkan sayap kupu-kupu. Perhitungan menunjukkan bahwa dalam kasus ini, banyak vortisitas yang dikuantisasi bersemangat (terlihat dalam gambar sebagai lingkaran kecil), tetapi, secara umum, berenang tidak terlalu efektif. Alasannya adalah bahwa jumlah vortisitas yang kira-kira sama bersemangat, bergerak ke kanan dan ke kiri, dan pulsa yang dibawa oleh mereka sebagian besar membatalkan satu sama lain (
video ).
Anggaplah sekarang seorang perenang tiga tubuh. Dia memiliki keunggulan penting dibandingkan yang dua tubuh: dia bisa menggeliat, membuat gerakan serpentin yang tidak masuk ke dalam diri mereka sendiri ketika waktu berbalik. Ini berarti teorema Purcell tidak berlaku untuknya, dan dia harus berenang bahkan dengan gerakan lambat. Perhitungan yang ditunjukkan pada gambar mengkonfirmasi dugaan ini: ketika gerakan menggeliat, perenang dengan percaya diri bergerak secara horizontal, sementara sedikit bergeser secara vertikal (
video ).
Atas: profil kepadatan superfluid pada waktu yang berbeda. Area biru tempat cairan didorong keluar adalah ellipsoid tiga tubuh perenang.
Bawah: koordinat horizontal (X) dan vertikal (Y) perenang sebagai fungsi waktu.Aplikasi apa yang dapat ditemukan untuk hasil yang diperoleh? Tampaknya tugas berenang di superfluid tidak terlalu relevan dalam praktik, tetapi ada satu area di mana itu bisa berguna. Baru-baru ini, percobaan dengan kondensasi Bose dan superfluiditas
gas atom lewat dingin telah aktif dikembangkan, dengan mana ada rencana besar untuk membuat simulator kuantum, komputer kuantum dan pemodelan eksperimental keadaan eksotis materi. Dalam sistem seperti itu, dimungkinkan untuk membuat gumpalan gas superfluida dari satu jenis yang direndam dalam gas superfluid dari jenis lain. Jika kita dapat mengubah bentuk tandan sesuai kebutuhan (dan ini dapat dilakukan dengan bantuan sinar laser), maka dimungkinkan untuk membuat tandan ini berenang, mulai dari gas di sekitarnya. Gambar tersebut menunjukkan perhitungan yang menunjukkan kemungkinan ini: ketika perubahan dalam bentuk tandan tidak reversibel dalam waktu, itu benar-benar berhasil bergerak (
video ).
Jadi, kita melihat bahwa perlu untuk berenang dalam cairan superfluid dengan bijak: Teorema Purcell menjamin bahwa kita tidak bisa berenang jika gerakan tangan dan kaki kita bertepatan dengan diri kita sendiri ketika bermain di arah yang berlawanan. Untuk mulai bergerak, kita perlu bergerak lebih cepat dari suara (yang bermasalah), atau menggeliat seperti ular, mengganggu reversibilitas gerakan dalam waktu. Kesimpulan ini diketahui oleh mikroorganisme mengambang dalam cairan kental: untuk menghindari teorema Purcell, mereka harus menggunakan flagella berputar spiral, yang merupakan analog dari perenang tiga tubuh yang dipertimbangkan di sini.
Menurut artikel :
Hiroki Saito, Bisakah Kita Berenang dalam Superfluida?: Peragaan Numerik Penggerak-Sendiri dalam Bose - Einstein Condensate, Jurnal Masyarakat Fisik Jepang 84, 114001 (2015).(*) Faktanya, ini tidak sepenuhnya benar: cairan superfluida nyata dapat direpresentasikan sebagai kombinasi komponen “normal” dan superfluid ( model dua fluida ), dan komponen normal akan tetap memperlambat body yang bergerak. Namun, ini tidak mencegah komponen superfluid bergerak sepenuhnya tanpa gesekan.
(**) Dalam praktiknya, aliran melingkar helium superfluid dapat melemahkan, tetapi bukan karena viskositas, tetapi karena proses mekanika kuantum - tergelincirnya vortisitas yang dikuantisasi. Tidak ada pelemahan nyata yang diamati dalam percobaan selama 18 jam.
(***) Vortisitas yang muncul dalam superfluida bukan hanya vortisitas seperti tornado kecil, tetapi juga eksitasi topologi yang terkuantisasi . Tidak seperti vortisitas biasa, mereka tidak bisa hilang begitu saja karena pelemahan aliran secara bertahap.