Особенности перехода к турбулентности в сверхтекучем ⁴Не при низких температурах

Abstract

Проведено экспериментальное исследование кинетических и диссипативных процессов в Не II с помощью колеблющегося пьезокварцевого резонатора (камертона), погруженного в жидкость. Измерялся электрический отклик камертона вблизи его резонансной частоты при различных возбуждающих напряжениях в области температур от 0,1 К до 4,2 К. Измеренные значения полуширины резонансных кривых позволили определить вязкость нормальной компоненты Не II в широкой области температур. Обнаружен максимум эффективной вязкости при температуре ~ 0,5 К, который связан с переходом от гидродинамического режима к баллистическому режиму в фононном газе Не II. Установлено, что при малых скоростях колебаний камертона наблюдается линейная зависимость скорости колебания от возбуждающей силы, что соответствует ламинарному течению жидкости в пограничном слое вблизи колеблющейся поверхности. При этом основной диссипативный процесс связан с вязкостью нормальной компоненты. Оценена толщина пограничного слоя вблизи поверхности колеблющегося камертона. При больших скоростях колебания камертона были обнаружены изломы на зависимости электрического отклика от возбуждающего напряжения, свидетельствующие о переходе к нелинейному характеру течения. При низких температурах этот режим сопровождался появлением на резонансных кривых плоских участков вблизи максимума. Такое поведение можно объяснить переходом от ламинарного к турбулентному течению жидкости, что также сопровождается появлением дополнительной диссипации, связанной с рождением квантованных вихрей. Определена критическая скорость перехода к турбулентному режиму, температурная зависимость которой качественно согласуется с измерениями, проведенными ранее с колеблющимися телами другой формы.

Проведено експериментальне дослідження кінетичних і дисипативних процесів у Не II за допомогою п’єзокварцевого резонатора (камертона), зануреного в рідину, який коливається. Обміряно електричний відгук камертона поблизу його резонансної частоти при різних збуджуючих напругах в області температур від 0,1 К до 4,2 К. Обміряні значення напівширини резонансних кривих дозволили визначити в’язкість нормальної компоненти Не II у широкій області температур. Виявлено максимум ефективної в’язкості при температурі ~ 0,5 К, що пов’язаний з переходом від гідродинамічного режиму до балістичного режиму у фононному газі Не II. Встановлено, що при малих швидкостях коливань камертона спостерігається лінійна залежність швидкості коливання від збуджуючої сили, що відпов ідає ламінарному плину рідини в прикордонному шарі поблизу коливної поверхні. При цьому основний дисипативний процес пов’язано з в’язкістю нормальнї компоненти. Оцінено товщину прикордонного шару поблизу поверхні коливного камертона. При більших швидкостях коливання камертона були виявлені злами на залежності електричного відгуку від збуджуючої напруги, що свідчать про перех ід до нелінійного характеру плину. При низьких температурах цей режим супроводжувався появою плоских ділянок на резонансних кривих поблизу максимуму. Таке поводження можна пояснити переходом від ламінарного до турбулентного плину рідини, що також супроводжується появою додатково ї дисипації, яка пов’язана з народженням квантованих вихорів. Визначено критичну швидкість переходу до турбулентного режиму, температурна залежність якої якісно погодиться з вимірами, отриманими раніше з коливними тілами іншої форми.

The kinetic and dissipative processes in He II were studied with a vibrating piezoquartz resonator (tuning fork) immersed into liquid helium. The electric response of the tuning fork near by its resonant frequency was measured at different values of exciting voltage in the temperature range 0.1–4.2 K. The resonance curve half-widths have allowed to determine the viscosity of normal components of He II in the wide temperature range. A maximum of the effective viscosity is observed at T = 0.5 K which is connected with the hydrodynamic ballistic mode transition in the phonon gas of He II. It is established that at small velocities of the tuning fork the vibration velocity depends linearly on exciting force. This corresponds to a laminar flow of the liquid in the boundary layer near the vibrating surface. Thus, the basic dissipative process is connected with the normal component viscosity. The thickness of the boundary layer nearly the vibrating tuning fork surface is estimated. At high vibration velocities of the tuning fork one can observe kinks in the dependence of the electric response on exciting voltage, suggesting that there is a transition to a nonlinear character of the flow. At low temperatures there appear flat portions in the resonance curves near by the maximum. This behavior may be explained by the transition from laminar to turbulent flow of the liquid, which is also accompanied by an additional dissipation connected with the formation of quantized vortices. A critical velocity, the temperature dependence of which is in qualitative agreement with the measured data obtained previously with vibrating bodies of other forms, is determined.