Макроскопические вихри на поверхности сверхтекучего He II

Abstract

Визуализация явлений на поверхности сверхтекучего He II легкими стеклянными трассерами, локализованными в тонком слое под поверхностью жидкости, позволила впервые наблюдать возникновение на поверхности сверхтекучей жидкости в вибрирующей ячейке вихревого течения и двумерных макроскопических вихрей, которые образуются в результате нелинейного взаимодействия между неколлинеарными фарадеевскими волнами. Стоячие фарадеевские волны возбуждаются на поверхности He II при вертикальных колебаниях ячейки с относительным переменным ускорением выше порога параметрической неустойчивости β > βс ≈ 0,04. Обнаружено, что при интенсивной волновой накачке на частоте 40 Гц и длительной выдержке в течение ~ 270 с зависимость кинетической энергии вихревой системы от волнового вектора Е(k) при k ≥ 4,5 см⁻¹ можно описать степенным законом вида Е(k) ~ k ⁻³ , т.е. в системе макроскопических вихрей, порождаемых волнами на поверхности слоя He II глубиной ~0,4 см в вибрирующей ячейке, со временем может сформироваться не только обратный, но и прямой турбулентный каскад.

Візуалізація явищ на поверхні надплинного He II легкими скляними трасерами, які локалізовані у тонкому шарі під поверхнею рідини, дозволила вперше спостерігати виникнення на поверхні надплинності у вібруючій комірці вихрової течії та двовимірних макроскопічних вихорів, які утворюються у результаті нелінійної взаємодії між неколінеарними фарадеївськими хвилями. Стоячі фарадеївські хвилі збуджуються на поверхні He II при вертикальних коливаннях комірки з відносним змінним прискоренням вище порога параметричної нестійкості β > βс ≈ 0,04. Виявлено, що при інтенсивному хвильовому накачуванні на частоті 40 Гц та тривалій витримці протягом ~ 270 с залежність кінетичної енергії вихрової системи від хвильового вектора Е(k) при k ≥ 4,5 см⁻¹ можна описати степеневим законом вигляду Е(k) ~ k⁻³ , тобто в системі макроскопічних вихорів, що породжуються хвилями на поверхні шару He II глибиною ~ 0,4 см у вібруючій комірці, з часом може сформуватися не тільки зворотний, але й прямий турбулентний каскад.

The visualization of phenomena on the surface of superfluid He II by light glass tracers localized in a thin layer below the surface of a liquid made it possible to observe for the first time the appearance of a vortex flow and two-dimensional macroscopic vortices on the surface of a superfluid liquid in a vibrating cell that are formed as a result of a nonlinear interaction between noncollinear Faraday waves. Standing Faraday waves are excited on the He II surface with vertical vibrations of the cell with a relative variable acceleration above the threshold of the parametric instability β > βс ≈ 0.04. It was found that, with intense wave pumping at a frequency of 40 Hz and a prolonged exposure for ~ 270 s, the dependence of the kinetic energy of the vortex system on the wave vector E(k) at k ≥ 4.5 cm⁻¹ can be described by a power law of the form Е(k) ~ k ⁻³ , i.e., in a system of macroscopic vortices generated by waves on the surface of a He II layer with a depth of ~ 0.4 cm in a vibrating cell, in time, not only the inverse but also the direct turbulent cascade can form.