Струнные сети
Каким состоянием вещества является космический вакуум? Большинство людей не задумываются об этом, но в последние десять лет Сяо Ган-Вэнь из Массачусетского технологического института и Майкл Левин из Гарварда предложили новое состояние вещества, которое могло бы привести нас к открытию фундаментальных частиц после электрона.
Путь к разработке модели струнно-сетевой жидкости начался в середине 90-х годов, когда группа ученых предложила так называемые квазичастицы, которые, казалось, появились в эксперименте, когда электроны проходили между двумя полупроводниками. Возник переполох, поскольку квазичастицы действовали так, будто бы обладали дробным зарядом, что казалось невозможным для физики того времени. Ученые проанализировали данные и предположили, что электрон является не фундаментальной частицей Вселенной и что существуют фундаментальные частицы, которых мы пока не обнаружили. Эта работа принесла им Нобелевскую премию, но позже выяснилось, что в результаты их работы закралась ошибка в эксперименте. О квазичастицах благополучно забыли.
Но не все. Вэнь и Левин взяли за основу идею квазичастиц и предложили новое состояние вещества, струнно-сетевое. Основным свойством такого состояния является квантовая запутанность. Как и в случае с неупорядоченной сверходнородностью, если вы с близкого расстояния взглянете на струнно-сетевое вещество, оно будет похоже на неупорядоченный набор электронов. Но если взглянуть на него как на цельную структуру, вы увидите высокую упорядоченность из-за квантово-запутанных свойств электронов. Вэнь и Левин затем расширили свою работу, чтобы охватить другие частицы и свойства запутанности.
Проработав компьютерные модели для нового состояния вещества, Вэнь и Левин обнаружили, что концы струн-сетей могут производить разнообразные субатомные частицы, включая легендарные «квазичастицы». Еще большим сюрпризом стало то, что при вибрации струнно-сетевого вещества оно делает это в соответствии с уравнениями Максвелла, отвечающими за свет. Вэнь и Левин предположили, что космос наполнен струнными сетями запутанных субатомных частиц и что концы этих струн-сетей представляют собой субатомные частицы, которые мы наблюдаем. Также они предположили, что струнно-сетевая жидкость может обеспечивать существование света. Если космический вакуум заполнен струнно-сетевой жидкостью, это может позволить нам объединить свет и материю.
Все это может показаться очень надуманным, но в 1972 году (за десятки лет до струнно-сетевых предложений) геологи обнаружили в Чили странный материал — гербертсмитит. В этом минерале электроны образуют треугольные структуры, которые, похоже, противоречат всему, что мы знаем о взаимодействии электронов друг с другом. Кроме того, эта треугольная структура была предсказана в рамках струнно-сетевой модели, и ученые работали с искусственным гербертсмититом, чтобы точно подтвердить модель.
Другие сверхтекучие жидкости
В 1970-х Дуглас Ошерофф , Дэвид М. Ли и Роберт С. Ричардсон открыли сверхтекучее состояние для редкого изотопа гелия, гелия 3 , при температуре около 2 мК , что значительно ниже температуры сверхтекучего перехода, измеренной в гелии 4. За это открытие они были удостоены Нобелевской премии по физике в 1996 году.
Разница между двумя изотопами гелия состоит в том, что атомы гелия-4 являются бозонами , а атомы гелия-3 — фермионами , поэтому их поведение при очень низких температурах подчиняется совершенно разным законам.
Как предположил Фриц Лондон в 1940-х годах, образование сверхтекучего состояния в гелии-4 соответствует бозе-эйнштейновской конденсации атомов гелия, которые являются бозонными квантовыми частицами . Однако, в отличие от идеального бозе-газа, в гелии 4 отталкивание между атомами очень велико, и даже при очень низкой температуре только 10% атомов находятся в конденсате.
Напротив, из-за своего фермионного характера гелий 3 при очень низкой температуре образует ферми-жидкость . Это наличие очень слабого притяжения между атомами гелия 3, которое вызывает спаривание фермионных атомов гелия 3 ниже сверхтекучего перехода. Подобное явление приводит к сверхпроводимости металлов. В последнем случае частицы, образующие сверхтекучее состояние, представляют собой пары электронов ( куперовские пары ), а отсутствие вязкости приводит к отсутствию удельного электрического сопротивления. Теория сверхтекучих фаз гелия 3 является расширением теории БКШ .
Криогенные сверхтекучие жидкости
Криогенные сверхтекучие жидкости представляют собой жидкости, которые при очень низкой температуре обладают способностью течь без трения и сопротивления. Это явление, которое называется сверхтекучесть, было впервые открыто голландским физиком Хейке Камерлингхом Оннесом в 1911 году.
Основной характеристикой криогенных сверхтекучих жидкостей является низкая температура плавления. Обычно эти жидкости должны охлаждаться до очень низких температур, близких к абсолютному нулю.
Существуют различные криогенные сверхтекучие жидкости, но наиболее известными являются:
- Гелий-4. Это самая известная и наиболее распространенная криогенная сверхтекучая жидкость. Ее температура плавления составляет около 4,2 К (около -268,93 °C). Гелий-4 обладает рядом уникальных свойств, таких как низкое вязкое сопротивление и высокая теплопроводность.
- Гелий-3. Эта криогенная сверхтекучая жидкость обладает еще более низкой температурой плавления, которая составляет около 3,19 мК (-269,96 °C). Гелий-3 обладает особенностями, которых нет у гелия-4, например, эффект Касимира и явление капиллярного подъема.
- Неон-3. Эта сверхтекучая жидкость, состоящая из изотопов неона с массами 20 и 22, также обладает низкими температурами плавления (около 0,96 К и 2,88 К) и обнаружена в 1972 году. Неон-3 также обладает некоторыми похожими свойствами как у гелия-3.
Особенностью криогенных сверхтекучих жидкостей является их поведение при движении. Такие жидкости могут течь без трения и сопротивления, что делает их очень полезными в различных областях, таких как соединения, физика низких температур и квантовая механика. Криогенные сверхтекучие жидкости также используются в суперпроводящих магнитах и холодильных системах.
Определение силы трения
Когда мы говорим «абсолютно гладкая поверхность» — это значит, что между ней и телом нет трения. Такая ситуация в реальной жизни практически невозможна. Избавиться от трения полностью невероятно трудно.
Чаще при слове «трение» нам приходит в голову его «тёмная» сторона — из-за трения скрипят и прекращают качаться качели, изнашиваются детали машин. Но представьте, что вы стоите на идеально гладкой поверхности, и вам надо идти или бежать. Вот тут трение бы, несомненно, пригодилось. Без него вы не сможете сделать ни шагу, ведь между ботинком и поверхностью нет сцепления, и вам не от чего оттолкнуться, чтобы двигаться вперёд.
Трение — это взаимодействие, которое возникает в плоскости контакта поверхностей соприкасающихся тел. Сила трения — это величина, которая характеризует это взаимодействие по величине и направлению.
Основная особенность: сила трения приложена к обоим телам, поверхности которых соприкасаются, и направлена в сторону, противоположную мгновенной скорости движения тел друг относительно друга. Поэтому тела, свободно скользящие по какой-либо горизонтальной поверхности, в конце концов остановятся. Чтобы тело двигалось по горизонтальной поверхности без торможения, к нему надо прикладывать усилие, противоположное и хотя бы равное силе трения. В этом заключается суть силы трения.
Сила трения покоя
Рассмотрим силу трения покоя подробнее.
Обычная ситуация: на кухне имеется холодильник, его нужно переставить на другое место.
Когда никто не пытается двигать холодильник, стоящий на горизонтальном полу, трения между ним и полом нет. Но как только его начинают толкать, коварная сила трения покоя тут же возникает и полностью компенсирует усилие. Причина её возникновения — те самые неровности соприкасающихся поверхностей, которые деформируясь, препятствуют движению холодильника. Поднатужились, увеличили силу, приложенную к холодильнику, но он не поддался и остался на месте. Это означает, что сила трения покоя возрастает вместе с увеличением внешнего воздействия, оставаясь равной по модулю приложенной силе, ведь увеличиваются деформации неровностей.
Пока силы равны, холодильник остаётся на месте:
Сила трения, которая действует между поверхностями покоящихся тел и препятствует возникновению движения, называется силой трения покоя
Теории сверхтекучести
Сверхтекучесть — это свойство некоторых жидкостей проявлять нулевую вязкость и существовать в состоянии без трения. Это явление было открыто в середине XX века, а его особенности до сих пор изучаются и объясняются различными теориями.
1. Теория Лондоновского-Ландау. Данная теория объясняет сверхтекучесть на микроскопическом уровне. Она основана на квантово-механическом понятии «орбитальной симметрии». Сверхтекучими молекулами считаются те, которые занимают одну орбиту с одинаковыми квантовыми числами. Это позволяет им двигаться без трения и образовывать сверхтекучие потоки.
2. Теория «двойников». Согласно этой теории, сверхтекучесть заключается в существовании двух фаз внутри жидкости. Одна фаза представляет собой обычную жидкость, а другая — сверхтекучую. Эти две фазы сосуществуют и переходят друг в друга благодаря тепловым флуктуациям. В результате, сверхтекучие молекулы могут двигаться без трения.
3. Теория «вихрей». Согласно этой теории, сверхтекучесть объясняется наличием вихревых структур внутри жидкости. Вихри образуются в результате квантовых флуктуаций и представляют собой области с пониженной плотностью молекул. Эти вихри позволяют жидкости двигаться без трения.
4. Теория «сотенков». Согласно этой теории, сверхтекучесть обусловлена наличием специфической структуры внутри жидкости — сотенков. Сотенки представляют собой кольцевые кластеры молекул, которые формируются благодаря слабым межмолекулярным взаимодействиям. Сотенки позволяют жидкости двигаться без трения.
Сравнение теорий сверхтекучести
Теория
Основные идеи
Теория Лондоновского-Ландау
Орбитальная симметрия молекул
Теория «двойников»
Сосуществование двух фаз
Теория «вихрей»
Наличие вихревых структур
Теория «сотенков»
Формирование кольцевых кластеров
Теория
Конденсат Бозе-Эйнштейна (КБЭ) на основе фотонов — это весьма «продвинутый» вариант КБЭ, и очень долго считалось, что его нельзя получить в принципе. Но прежде чем рассказать о нем, стоит пояснить, а что вообще такое конденсат Бозе-Эйнштейна. Родиной этого понятия может считаться Индия – именно там большую часть времени жил и работал человек, впервые указавший на возможность существования неизвестного ранее состояния материи. Этого человека звали Шатьендранат Бозе, и он был одним из отцов-основателей квантовой механики.
Чтобы отметить научные заслуги Бозе, в его честь был назван один из типов элементарных частиц – бозоны. К бозонам относятся, например, фотоны — переносчики электромагнетизма, и глюоны, которые переносят сильное взаимодействие и определяют притяжение друг к другу кварков. Знаменитый бозон Хиггса, ради поисков которого был создан Большой адронный коллайдер, тоже относится к этой категории элементарных частиц.
Принадлежность частицы к бозонам определяется по ее спину – собственному моменту импульса элементарных частиц (иногда понятие спина определяют как вращение частицы вокруг собственной оси, но такое представление слишком упрощает ситуацию). Спин бозона всегда целый — то есть выражается целым числом. У другой разновидности элементарных частиц — фермионов — спин полуцелый.
Фермионы (слева) выстраиваются «в линейку» по энергиям квантовых уровней, а бозоны (справа) могут скапливаться на уровне с наименьшей энергией. Изображение выпуска 23 бюллетеня ПерсТ за 2003 год
Lenta.ru
Бозоны и фермионы отличаются друг от друга не только значением спина — эти частицы несходны по целому ряду фундаментальных свойств. В частности, бозоны могут не подчиняться так называемому принципу, или запрету, Паули, который постулирует, что две элементарные частицы не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии. Квантовые состояния отличаются друг от друга по энергиям, и при низких температурах фермионы (которые строго соблюдают запрет Паули) поочередно заполняют последовательные состояния. Первыми занимаются состояния с наименьшей энергией (самые «ненапряжные» для частиц), а последними – с самой высокой энергией. Нагляднее всего это свойство фермионов выстраиваться в линейку по квантовым состояниям заметно при низких температурах, когда поведение системы не маскируется за счет температурных флуктуаций.
Бозоны при низких температурах ведут себя иначе — они не ограничены запретом Паули и поэтому стремятся по возможности занять самые удобные места, то есть квантовые уровни с наименьшей энергией. В итоге при охлаждении бозонов происходит следующее: они начинают двигаться очень медленно — со скоростями порядка нескольких миллиметров в секунду, очень тесно «прижимаются» друг к другу, «соскакивают» в одно и то же квантовое состояние и в конце концов начинают вести себя скоординировано — так, как вела бы себя одна гигантская квантовая частица.
Именно о такой трансформации, которая должна происходить с бозонами при температурах, близких к абсолютному нулю, Шатьендранат Бозе написал в начале 1920-х годов Альберту Эйнштейну. Бозе собирался послать свои выкладки в журнал Zeitschrift fur Physik, но Эйнштейн так вдохновился идеями индийского коллеги, что немедленно сам перевел его статью с английского на немецкий и отправил в редакцию. Создатель общей и специальной теорий относительности развил соображения Бозе (индус рассматривал только фотоны, а Эйнштейн дополнил теорию Бозе для частиц, обладающих массой) и изложил свои выводы еще в двух статьях, которые также были опубликованы в Zeitschrift fur Physik.
Лямбда-точка
Фазовая диаграмма гелия 4.
Вышеупомянутые физики обнаружили, что ниже критической температуры 2,17 Кельвина (или -270,98 ° C ), которая называется лямбда-точкой (λ), гелий 4 претерпевает переход из фазы . Он переходил из одного жидкого состояния в другое со значительно разными свойствами. Действительно, эксперимент, подтвержденный впоследствии, показал, что это новое состояние гелия очень хорошо проводит тепло, что можно объяснить только низкой вязкостью .
Эксперименты, более специфичные для механики жидкости, показали, что поток этого гелия в трубе практически не зависит от давления, приложенного к стенкам трубы. Также было показано, что этот поток не зависит от рассматриваемого сечения трубы.
Это можно объяснить только полным отсутствием вязкости , отсюда и название сверхтекучесть .
Наконец, жидкость считается сверхтекучей, если она не оказывает никакого сопротивления потоку. В результате твердые тела, движущиеся в жидкости, не испытывают вязкого трения .
Сверхтекучая жидкость, помещенная в контейнер, будет вытекать капиллярно вверх по стенкам контейнера и течь ниже.
Сверхтекучесть в иных системах
В 1919-м году тот самый Камерлинг-Оннес открыл квантовое явление протекания электрического тока в твердом теле без потерь, то есть при нулевом электрическом сопротивлении тела, за что получил нобелевскую премию.
В 1995-м году исследователям удалось провести эксперимент, в результате которого разреженный газ при низких температурах перешел в состояние конденсата Бозе-Эйнштейна. Этот газ вел себя точно также как и сверхтекучая жидкость. Дальнейшие эксперименты показали, что тела, движущиеся(с ограниченным диапазоном скоростей) сквозь конденсат не испытывали какое-либо изменение в значении энергии, то есть обмен энергии отсутствовал.
Искусственные сверхтекучие жидкости
Искусственные сверхтекучие жидкости представляют собой жидкости, которые проявляют свойства сверхтекучести при определенных условиях.
Их особенность заключается в том, что при охлаждении до определенной температуры и нужного давления они теряют вязкость и начинают проявлять сверхтекучие свойства.
Примером искусственной сверхтекучей жидкости является гелий-4, который находится в переходном состоянии между жидкостью и газом при очень низких температурах. Гелий-4 обладает наименьшей известной вязкостью и крайне низкой теплопроводностью.
Важно отметить, что для достижения сверхтекучести искусственных жидкостей требуется очень низкая температура и высокое давление. Однако, однажды достигнув этого состояния, сверхтекучие жидкости могут быть использованы в различных областях, таких как криогенная техника, магнитное левитирование, исследование основного состояния вещества и других
Сверхтекучие жидкости также обладают свойством двигаться без трения и сопротивления, что делает их очень полезными в ряде приложений, включая энергетику и создание более эффективных систем передвижения.
Для исследования сверхтекучести искусственных жидкостей используются различные методы, включая экспериментальные и теоретические подходы. Они позволяют узнать больше о свойствах и потенциальных применениях указанных материалов.
Открытие сверхтекучести
Петр Леонидович Капица, 1930-е годы
В 1938-м году сверхтекучесть была открыта советским физиком Петром Капица, и независимо от него, канадские исследователи Джон Ален и Дон Мисенер показали, что гелий II имеет практически нулевую вязкость. Для этого Капица исследовал протекание через сверхтонкие щели, а Ален и Мисенер – через тонкие капилляры. Именно по причине нулевой вязкости возникали все «странные» вышеупомянутые особенности гелия II. Примечательно, что обе научные работы были опубликованы в одном и том же номере научного журнала Nature. Продолжая исследования в этом направлении, в 1978-м году Капица получил Нобелевскую премию «за фундаментальные открытия в физике низких температур».
Однако непонятным остался тот факт, что вязкость гелия II, измеренная методом колеблющегося диска (в этом методе диск, что колеблется, погружается в жидкость, и исследуются затухания его движения) оказалась ненулевой.
Вырожденный газ
Хотя аморфные твердые вещества хотя бы встречаются на планете Земля, вырожденное вещество встречается лишь в определенных типах звезд. Вырожденный газ существует, когда внешнее давление вещества определяется не температурой, как на Земле, а сложными квантовыми принципами, в частности принципом Паули. Из-за этого внешнее давление вырожденного вещества будет сохраняться, даже если температура вещества упадет до абсолютного нуля. Известны два основных типа вырожденного вещества: электронно-вырожденное и нейтронно-вырожденное вещество.
Электронно-вырожденное вещество существует в основном в белых карликах. Оно образуется в ядре звезды, когда масса вещества вокруг ядра пытается сжать электроны ядра до низшего энергетического состояния. Однако в соответствии с принципом Паули, две одинаковых частицы не могут быть в одном энергетическом состоянии. Таким образом, частицы «отталкивают» вещество вокруг ядра, создавая давление. Это возможно только если масса звезды меньше 1,44 массы Солнца. Когда звезда превышает этот предел (известный как предел Чандрасекара), она просто коллапсирует в нейтронную звезду или в черную дыру.
Когда звезда коллапсирует и становится нейтронной звездой, у нее больше нет электронно-вырожденного вещества, она состоит из нейтронно-вырожденного вещества. Поскольку нейтронная звезда тяжелая, электроны сливаются с протонами в ее ядре, образуя нейтроны. Свободные нейтроны (нейтроны не связаны в атомном ядре) имеют период полураспада в 10,3 минуты. Но в ядре нейтронной звезды масса звезды позволяет нейтронам существовать за пределами ядер, образуя нейтронно-вырожденное вещество.
Другие экзотические формы вырожденного вещества также могут существовать, в том числе и странная материя, которая может существовать в редкой форме звезд — кварковых звезд. Кварковые звезды — это стадия между нейтронной звездой и черной дырой, где кварки в ядре развязаны и образуют бульон из свободных кварков. Мы пока не наблюдали такой тип звезд, но физики допускают их существование.
Материалы по теме
Сверхкритическая жидкость 
В 2000-м году американский ученый Ян Петер Тоэнниэс добился сверхтекучего состояния для водорода (при температуре 0,15 К). В 2005-м году была обнаружена сверхтекучесть в разреженном фермионом газе при низких температурах.
В 2004-м году исследователи из Пенсильванского университета смогли перевести твердый гелий в сверхтекучее состояние, однако результаты этой работы не были признаны научным сообществом. В 2009-м году исследователи из Калифорнийского университета в Беркли получили сверхтекучее состояние для твердого рубидия. Упорядоченная структура рубидия была схожа со структурой кристалла, и занимала несколько микрометров. Все атомы рубидия находились в одном квантовом состоянии. Такое состояние было названо «supersolid» (сверхтвердый).
Охлаждение до нулевой температуры
Одной из особенностей жидкостей, проявляющих сверхтекучесть, является способность оставаться жидкими при очень низких температурах. Благодаря этой особенности, такие жидкости могут показывать удивительные свойства, которые не встречаются у обычных жидкостей.
Основной метод достижения нулевой температуры, при которой проявляется сверхтекучесть, — это охлаждение вещества. На протяжении долгого времени считалось, что невозможно охладить вещество до абсолютного нуля (-273,15 °C), однако с развитием технологий реализация этой задачи стала возможной.
Для охлаждения жидкостей до нулевой температуры применяются различные методы. Один из них — это использование холодильников, которые способны создать такие низкие температуры. При этом вещество подвергается постепенному охлаждению, пока не достигнет нулевой температуры.
Другой метод заключается в использовании жидкого азота или гелия, которые обладают очень низкой температурой кипения. При контакте с веществом они осуществляют быстрое охлаждение и позволяют достичь нулевой температуры.
Удивительно, но при сверхнизких температурах, что близких к абсолютному нулю, многие вещества приобретают свойства сверхтекучести. Они переносятся в особое состояние, в котором становятся практически безвязкими и могут текти без сопротивления.
Таким образом, охлаждение до нулевой температуры является необходимым условием для проявления сверхтекучести у жидкостей
Именно при такой экстремальной температуре вещество показывает свои уникальные свойства, которые привлекают внимание ученых и исследователей
Ранние эксперименты с жидким гелием
Впервые сверхтекучий гелий получил нидерландский физик и химик Хейке Камерлинг-Оннес в 1908-м году, хотя в то время этот факт не был ясен. Однако, Камерлинг-Оннес сделал несколько важных наблюдений: он измерил плотность гелия, и выяснил, что она достигает своего максимума при 2,17 кельвинов, а измеряя теплоемкость жидкого гелия, он заметил, что ниже этой температуры значения очень сильно отличаются. Впрочем, эти странности ученый списал на экспериментальные погрешности.
Хейке Камерлинг-Оннес (справа) с помощником Герритом Флимом (слева)
В 1922-м году Камерлинг-Оннес зафиксировал еще одно необычное явление. Он поместил открытый дьюаровский сосуд с жидким гелием в другой такой сосуд, также заполненный жидким гелием, в результате чего ожидал, что гелий из внешнего сосуда будет испаряться быстрее, чем гелий из внутреннего. Это вытекает из привычных для нас законов, однако ученый обнаружил одновременное испарение гелия из обеих емкостей. Примечательно было и то, что если перелить гелий из одной емкости в другую, то спустя короткое время уровни жидкости в обоих сосудах выровняются. Данный поразительный эффект был назван эффектом Камерлинга-Оннеса, хотя он был объяснен несколько позже. Как оказалось, гелий образовывал тонкую пленку поверх каждой из емкостей, в результате чего перетекал по этой пленки из одного сосуда в другой.
Пример движение тонкой пленки сверхтекучей жидкости на стенках твердых тел
Появление сверхтекучих жидкостей
Сверхтекучесть — это особое состояние некоторых жидкостей, при котором они проявляют свойства как жидкости, так и газа. Жидкость в таком состоянии способна течь без трения и выказывает некоторые аномальные свойства.
Одним из наиболее известных примеров сверхтекучей жидкости является гелий-4 при экстремально низкой температуре, близкой к абсолютному нулю. В этом состоянии гелий обладает аномальной подвижностью. Причиной сверхтекучести гелия являются его квантовые свойства, такие как фононные взаимодействия и некоторые эффекты просачивания через микроскопические дырки в контейнере.
Еще одним примером сверхтекучей жидкости является дейтериевый водород, образующийся при очень высоком давлении. В этом состоянии дейтериевый водород обладает рядом уникальных свойств, таких как невозможность замерзания при низких температурах и высокая теплопроводность.
Особенность сверхтекучих жидкостей заключается в их низком вязкости и отсутствии трения при движении. Такие жидкости способны протекать через тонкие щели, подниматься по стенкам сосуда и образовывать капли на неочищенной поверхности.
Эффекты сверхтекучести
Сверхтекучесть — это свойство некоторых жидкостей, при котором они способны течь без трения. Такие жидкости обладают нулевой вязкостью и не образуют пузырей или вихрей в процессе движения.
Основным эффектом сверхтекучести является эффект фрагментации потока. При его наличии сверхтекучая жидкость может проникать через очень узкие отверстия, которые обычно блокируются обычными жидкостями.
Другим интересным эффектом является эффект Капилляри, когда сверхтекучая жидкость поднимается по вертикальной трубке с узким сечением, противореча гравитации. Этот эффект объясняется тем, что сверхтекучая жидкость обладает нулевой поверхностной напряженностью и может подниматься по капиллярному давлению.
Известны также эффекты сверхтекучести, связанные с теплопроводностью и диффузией. Сверхтекучая жидкость может проводить тепло и проникать через полупроницаемые мембраны на молекулярном уровне.
Сверхтекучие жидкости находят применение в различных областях науки и техники, включая разработку суперпроводников, лазеров, а также в медицине для создания ультрачетких игл и микроканюль.
Критическая точка
Критическая точка — это состояние вещества, при котором его физические свойства начинают меняться весьма необычным образом. Она является особой точкой на графике зависимости температуры и давления от объема вещества.
Вблизи критической точки происходит необычное явление — сверхтекучесть. В таких условиях некоторые вещества теряют вязкость и начинают проявлять совершенно новые свойства.
Сверхтекучесть проявляется в том, что при достижении определенной критической точки жидкость начинает потекать без трения, в отсутствие любого сопротивления со стороны контейнера, в котором она находится. Это значит, что сверхтекучая жидкость может стекать по вертикальной поверхности или проливаться через небольшой отверстие без каких-либо препятствий.
Особенность сверхтекучих жидкостей заключается в том, что они должны быть охлаждены до очень низких температур и иметь очень высокие давления. Примером такой жидкости являются гелий-4 и гелий-3, которые при их критической точке способны вытекать из отверстий ванн без сопротивления.
Сверхтекучесть находит практическое применение в таких областях, как производство и хранение жидкого гелия, а также в суперпроводниках, которые используются для создания мощных магнитных полей или передачи электрической энергии без потерь.
Виды силы трения
В зависимости от вида трущихся поверхностей, различают сухое и вязкое трение. В свою очередь, оба подразделяются на другие виды силы трения.
- Сухое трение возникает в области контакта поверхностей твёрдых тел в отсутствие жидкой или газообразной прослойки. Этот вид трения может возникать даже в состоянии покоя или в результате перекатывания одного тела по другому, поэтому здесь выделяют три вида силы трения:
- трение скольжения,
- трение покоя,
- трение качения.
- Вязкое трение возникает при движении твёрдого тела в жидкости или газе. Оно препятствует движению лодки, которая скользит по реке, или воздействует на летящий самолёт со стороны воздуха. Интересная особенность вязкого трения в том, что отсутствует трение покоя. Попробуйте сдвинуть пальцем лежащий на земле деревянный брус и проделайте тот же эксперимент, опустив брус на воду. Чтобы сдвинуть брус с места в воде, будет достаточно сколь угодно малой силы. Однако по мере роста скорости силы вязкого трения сильно увеличиваются.
Основные свойства сверхтекучих жидкостей
Сверхтекучесть — это свойство некоторых жидкостей обладать нулевой вязкостью при температурах близких к абсолютному нулю. Это означает, что сверхтекучие жидкости могут течь без какого-либо трения и потери энергии. Несмотря на то что такие свойства кажутся невероятными, они были экспериментально подтверждены и изучены учеными.
Основные свойства сверхтекучих жидкостей:
- Отсутствие вязкости: Сверхтекучие жидкости обладают нулевой вязкостью, что значит, что они не имеют внутреннего трения при движении. Это позволяет им течь без каких-либо сопротивлений и потерь энергии.
- Нулевое трение: Благодаря отсутствию вязкости, сверхтекучие жидкости могут течь без трения. Это позволяет им перемещаться по поверхностям без какого-либо сопротивления и не терять энергию.
- Сверхтекучие течения: Сверхтекучие жидкости могут обладать необычными свойствами течения, такими как сифонный эффект и фонтаны. Это связано с их особенной структурой и отсутствием трения.
- Сверхтекучесть при низких температурах: Основным условием для проявления сверхтекучести является низкая температура. Чем ближе к абсолютному нулю, тем лучше проявляются свойства сверхтекучести у жидкостей.
Изучение сверхтекучих жидкостей имеет важное значение для науки и технологий. Они могут использоваться в различных областях, таких как аэрокосмическая и энергетическая промышленность, медицина и технологии холодного хранения
Кроме того, сверхтекучие жидкости помогают лучше понять основы физики и квантовой механики.
Подведём итоги
- Сила трения покоя меняется от нуля до максимального значения 0 < Fтр.покоя < Fтр.пок.макс в зависимости от внешнего воздействия.
- Максимальная сила трения покоя почти равна силе трения скольжения, лишь немного её превышая. Можно приближенно считать, что Fтр. = Fтр.пок.макс
- Силу трения скольжения можно рассчитать по формуле Fтр. = μ ⋅ N, где μ — коэффициент трения, N — сила нормальной реакции опоры.
- При равномерном прямолинейном скольжении по горизонтальной поверхности сила тяги равна силе трения скольжения Fтр. = Fтяги.
- Коэффициент трения μ зависит от рода и степени обработки поверхностей 0 < μ < 1 .
- При одинаковых силе нормального давления и коэффициенте трения сила трения качения всегда меньше силы трения скольжения.