Физика 20 века: ключевые эксперименты - Тригг Дж.
Скачать (прямая ссылка):
внимательно следить, чтобы рейнольдсовское число2 не достигало больших
значений, чтобы сохранить движение жидкости ламинарным.
Можно показать, что эти условия совсем не были выполнены, и можно с
уверенностью сказать, что результаты их относятся к вихревому движению,
вследствие чего полученные величины для вязкости жидкого гелия не
соответствуют истинным и могут быть во сколько угодно раз больше.
Измерения вязкости жидкого гелия - трудная задача ввиду необходимости
создания такого метода, в котором можно было бы сохранять ламинарное
движение даже при его малой кинематической вязкости.
1 Эти измерения проводились обычным методом наблюдения затухающих
крутильных колебаний цилиндра.
2 Число Рейнольдса определяется как отношение vl/v, где v - скорость
течения жидкости, I - характерный размер канала, ограничивающего это
течение, v - кинематический коэффициент вязкости, приведенный в тексте.
90
Мы разработали следующий метод, при котором можно мерить вязкость
жидкостей с гораздо меньшей кинематической вязкостью, чем обычно.
Схематически прибор показан на рис. 5.6.
Вязкость измерялась по разности давлений жидкостей, текущих в очень узком
-щелевом зазоре, образуемом между двумя дисками - 1 я 2. Эти диски были
сделаны из оптического отшлифованного стекла и расстояние между ними
могло устанавливаться посредством прокладок из слюды. Внешний диаметр
дисков был 3 см, и отверстие в верхнем диске было 1,5 см. Над этим
отверстием ставилась трубка 3. Посредством ниточки 4 весь этот прибор мог
опускаться и подниматься в жидком гелии, и уровень жидкости в трубке 3
мог быть установлен выше или ниже уровня жидкости 5 в окружающем дьюаре.
Количество протекаемой жидкости и давление столба измерялись
катетометром.
Измерения дали с самого начала интересные результаты.
Например в случае, когда диски/и 2 были прижаты друг к другу без слюдяных
прокладок, по интерферен* ционным полосам можно было видеть, что
образовав* шаяся щель была порядка 0,5 мкм, - тогда гелий I про* текал
еще еле заметно: на протяжении нескольких ми* нут наблюдения высота
столбика в трубке 3 менялась лишь на долю миллиметра. В случае же гелия
II наблюдалось сильное протекание и уровень выравнивался в течение
нескольких секунд.
, Из числовых данных измерений можно было заключить, что вязкость гелия
модификации II по крайней мере в 1500 раз меньше, чем гелия модификации I
при 4,22 К. Экспериментальные данные также показывают, что в случае гелия
II разность давления на краях щели
Рис. 5.6. Схема опыта Капицы по измерению вязкости жидкого гелия [Доклады
АН СССР, 1938, т. XVIII, № 1, с. 22].
91
пропорциональна квадрату скорости течения гелия через щель, что
показывает, что и в нашем случае движение потока гели^ в щели было еще
турбулентным. Но если мы все-таки вычислим вязкость, считая движение
ламинарным, мы получим ее порядка 10~9 в абсолютных единицах, что,
очевидно, представляет собой верхний предел возможной вязкости... по
крайней мере в 10 000 раз меньшей, чем [имеет] водород в газообразном
состоянии при самой низкой температуре, при которой вязкость его имеет
наименьшее значение. Как известно, вязкость газообразного водорода
считалась наименьшей измеренной вязкостью, известной для какой-либо
текучей среды. Мне кажется, что этого предела уже достаточно, чтобы по
сравнению с явлением сверхпроводимости считать, что жидкий гелий ниже
точки К принимает особую модификацию, которую в виду ее исключительно
малой вязкости можно было бы назвать "сверхтекучей".
В свете дальнейших результатов, о которых будет рассказано ниже, выводы
Капицы можно было бы поставить под сомнение, если бы они остались
единственными. Однако случилось так, что аналогичные результаты были
получены Алленом и А. Д. Майзнером в Кембриджском университете, причем
совершенно другим методом. Эти результаты также были опубликованы в
Nature непосредственно вслед за сообщением Капицы, а в следующем году они
вместе с более обширными данными измерений были подробно описаны в
Proceedings of the Royal Society.
"Установка и методика измерений во всех опытах по изучению течения гелия
в оснрвном оставались неизменными. Стеклянный капилляр одним из своих
концов соединялся с цилиндрическим стеклянным резервуаром такого
диаметра, чтобы скорость изменения уровня при протекании гелия была
удобна для измерения. Другой конец капилляра был свободен и открыт в
резервуар с жидким гелием. Верхняя часть резервуара также обычно
оставалась открытой, однако диаметр отверстия ограничивался значениями
0,5-1 мм в зависимости от размера резервуара. Цель такого ограничения
состояла в том, чтобы уменьшить, насколько возможно, любую передачу
жидкости обратно в резервуар посредством подвижной поверхностной пленки,
перетекающей через верхний край резервуара".
92
Последний абзац относится к открытию, сделанному в период между
публикациями первого сообщения и подробного отчета (о нем мы еще будем
говорить в дальнейшем). Было обнаружено, что на стенках резервуара
