Капиллярная турбулентность на поверхности нормального и

УДК 538.941:530.182:536.48
Л. В. Абдурахимов1, М. Ю. Бражников2, Г. В. Колмаков2, А. А. Левченко2,
Л. П. Межов-Деглин2
1
Московский физико-технический институт (государственный университет)
2
Институт физики твердого тела ИФТТ РАН
КАПИЛЛЯРНАЯ ТУРБУЛЕНТНОСТЬ НА ПОВЕРХНОСТИ НОРМАЛЬНОГО И
СВЕРХТЕКУЧЕГО ГЕЛИЯ-4.
Волновая турбулентность является предметом тщательных теоретических и
экспериментальных исследований на протяжении последних нескольких лет. Интерес к
этой области явлений объясняется многочисленными прикладными задачами [1].
Одной из наиболее известных задач является предсказание погоды, основанное на
информации, полученной со спутников, сканирующих поверхность океана.
Недавние эксперименты на поверхности жидкого водорода [2] способствовали
значительному прогрессу в понимании турбулентности на поверхности жидкости и
стимулировали дальнейшее развитие теории.
Основная идея данной работы заключается в использовании для
экспериментального исследования волновой турбулентности отличительных свойств
гелия-4: высокой нелинейности его капиллярных волн; возможности уменьшить
вязкость жидкости на несколько порядков понижением температуры ниже температуры
сверхтекучего перехода, что позволит изучать волновую турбулентность с разными
значениями высокочастотной границы инерционного интервала; возможности создать
квазидвумерный слой положительных зарядов под поверхностью жидкости, что
позволяет возмущать поверхность при помощи внешнего переменного электрического
поля.
В данной работе использовалась экспериментальная методика, которая
применялась ранее в экспериментах на поверхности жидкого водорода [3].
Эксперименты проводились в цилиндрической оптической ячейке, которая
размещалась в вакуумной полости гелиевого криостата. Температура в ячейке
изменялась при помощи откачки паров гелия и измерялась при помощи терморезистора.
В ячейке располагался медный стакан, в который конденсировался гелий (диаметр
стакана 30.5 мм, глубина 4 мм). На дне стакана располагалась радиоактивная мишень,
испускающая β-электроны. Электроны ионизировали тонкий слой жидкости вблизи
мишени. К стакану прикладывалось постоянное напряжение таким образом, чтобы
положительные заряды образовывали квазидвумерный слой под поверхностью
жидкости. Колебания поверхности жидкого гелия возбуждались с помощью
переменного напряжения, прикладываемого к стакану в дополнение к постоянному
напряжению. Колебания регистрировались с помощью лазерного луча, отражающегося
от поверхности. Отраженный от колеблющейся поверхности жидкости луч с помощью
линзы фокусировался на фотоприемник. Измерялась полная мощность отраженного
лазерного луча P(t). Из спектра мощности P(ω) можно получить корреляционную
функцию отклонений поверхности от плоского состояния в Фурье-представлении I(ω),
которая характеризует энергетический спектр E(ω) поверхностных волн[3].
В результате исследований, нам впервые удалось наблюдать колмогоровский
каскад на поверхности нормального (при температуре 4.2К) и сверхтекучего (при
температуре 1.95К) гелия-4 (рис. 1).
Рис. 1. Стрелка указывает высокочастотную границу инерционного интервала
Обнаружено, что при переходе в сверхтекучее состояние ширина инерционного
интервала увеличивается в несколько раз относительно случая нормальной жидкости
(инерционный интервал в сверхтекучем состоянии 18Гц-5000Гц, в нормальном – 18Гц1000Гц). Предварительные результаты эксперимента опубликованы в [4].
Таким образом, мы создали экспериментальную методику, позволяющую
изучать турбулентность в системе волн на поверхности нормального и сверхтекучего
гелия-4, и выполнили первые измерения, демонстрирующие значительное изменение в
турбулентном каскаде при переходе гелия из нормального состояния в сверхтекучее.
Авторы благодарны В. Н. Хлопинскому за помощь в подготовке экспериментов
и В.Е. Захарову, Е. А. Кузнецову, P. V. E. McClintock за полезные дискуссии.
Исследования выполнены при поддержке грантов РФФИ № 05-02-17849 и № 06-0217253, и проектов программ Президиума РАН «Квантовая макрофизика» и
«Математические методы нелинейной динамики».
Литература
1.
V. E. Zakharov, G. Falkovich, and V. S. L’vov, Kolmogorov Spectra of Turbulence I
(Springer, Berlin, 1992).
2.
G. V. Kolmakov, A. A. Levchenko, M. Yu. Brazhnikov, L. P. Mezhov-Deglin, A. N.
Silchenko, and P. V. E. McClintock, J. Low Temp. Phys. 139, 523 (2005).
3.
M. Yu. Brazhnikov, A. A. Levchenko, and L. P. Mezhov-Deglin, Instr. Exp. Techn. 45
(6), 758 (2002).
4.
L. V. Abdurakhimov, M. Yu. Brazhnikov, G. V. Kolmakov, A. A. Levchenko, L. P.
Mezhov-Deglin, J. Low Temp. Phys. (2006), accepted for publishing