Пётр Капица - Эксперимент, Теория, Практика. Статьи, Выступления

Теперь попытаемся представить себе механизм, обусловливающий вязкость. При течении, например, в трубочке, слой жидкости, прилегающий к стенке, неподвижен, следующий слой уже движется с некоторой скоростью, над ним движется другой слой с несколько большей скоростью и т. д. Между этими слоями существует скольжение, которое происходит с трением. Это трение вызывается тем, что атомы одного слоя в своем движении отстают от атомов следующего слоя и благодаря тем же силам взаимодействия мешают движению. В результате получается потеря энергии, которая и обусловливает вязкость жидкости. Из такой картины следует, что вязкость должна быть тем больше, чем больше движение атомов одного слоя влияет на движение атомов другого слоя, т. е. чем легче в теле распространяется тепло.

Поэтому при увеличении в веществе его теплопроводности естественно ждать также и увеличения его вязкости, а не наоборот, как это происходит в гелии. Спрашивается, почему же при таком колоссальном увеличении теплопроводности гелия-II вязкость его уменьшается?

Чтобы разрешить это противоречие, мы выдвинули предположение, что большая теплопроводность, которую наблюдал Кеезом, является только кажущейся. В самом деле, известно, что существуют два механизма теплопередачи. Один — это теплопередача от атома к атому, как мы описывали и какая наблюдается в твердом теле, а другой же механизм теплопередачи — это конвекция. Положим, вы будете держать руку над горячим источником, например радиатором, — вы сразу почувствуете тепло, так как поток нагретого воздуха будет переносить тепло к вашей руке. Такой перенос тепла вместе с движущимся потоком вещества и называется конвекцией. Если же руку поместить под радиатором, то никакого тепла не почувствуется, так как поток теплого воздуха идет кверху, а обычная теплопередача воздуха очень мала. В такой плохо-теплопроводной среде, как воздух, обычная теплопередача только и происходит благодаря конвекционному переносу. Так и у гелия с его большой текучестью естественно предположить, что будет легко происходить конвекционная теплопередача, и таким механизмом переноса тепла и могла бы объясняться большая теплопроводность, которую наблюдал Кеезом.

Подсчеты сразу же показали, что для того, чтобы объяснить большую теплопередачу конвекционными потоками, вязкость гелия-II должна быть значительно меньше той, которая была измерена учеными в Канаде.

Но тут надо отметить, что малая вязкость — величина, довольно трудно поддающаяся измерению. Теория показывает, что истинное значение вязкости может быть как бы затушевано присутствием в жидкости так называемого турбулентного движения, т. е. вместо того, чтобы иметь при измерениях спокойное течение, на самом деле на него накладываются движения от вихрей, которые, как можно показать, исказят результаты измерений, так что полученная величина может оказаться во много раз больше истинной.

Вопрос этот чисто экспериментальный, я не буду его подробно касаться, так как он требует довольно детального описания техники измерений [ 3 ] Подробно экспериментальные работы изложены в следующих работах: ДАН СССР 18, 21 (1938); ЖЭТФ 11, № 1, 1 (1941); 11, № 6, 581 (1941) . Скажу только, что мы под этим углом зрения снова произвели измерения вязкости гелия. Нам удалось построить вискозиметр (прибор для измерения вязкости), который имел очень узкую щель, всего в полмикрона (тысячная доля миллиметра), через которую протекал гелий. Поставив опыт таким образом, можно было в значительной мере избежать вредного влияния вихрей, и тогда удалось показать, что наблюдаемая вязкость гелия-II была по крайней мере в тысячу раз меньше, чем ее определяли прежде.

Можно было также показать, что то значение для вязкости, которое мы получили, является только возможным верхним пределом: на самом деле истинное значение вязкости могло быть сколь угодно меньше, т. е. даже в нашей узкой щели мы не могли доказать, что полностью удалось исключить вредное влияние турбулентного движения. Эта работа была нами опубликована 3 года тому назад, и она вызвала целый ряд обсуждений и критику.

Первым делом начали искать возможные ошибки в методике этой работы. И тут поучительно рассказать об одном возражении, выдвинутом против нас.

Эта критика базировалась на другом, чрезвычайно любопытном свойстве гелия-II — ползти в пленках по стенкам сосуда. Если уровень гелия-II в пробирке, изображенной на рисунке, выше уровня окружающего гелия, то оказывается, что уровни довольно быстро выравниваются. Это явление изучено, и показано, что гелий легко переползает по поверхности в виде очень тонкой пленки. Наши опыты критиковали тем, что в своем вискозиметре я мерил не вытекание гелия из сосуда через щель, что на самом деле вытекание происходило путем переползания, а потому полученные мною данные для вязкости занижены. На самом деле при экспериментировании я учитывал возможность ошибки, вызванной этим явлением. Но интересно отметить, что эта критика, данная учеными в Америке и в Канаде, упустила из виду, что гелий может переползать в тонкой пленке, толщиной, по измерениям Кикоина и Лазарева, меньше сотой доли микрона, и только тогда, когда его вязкость в миллион раз меньше, чем тот предел, который был уже дан нами. Получалось так, что критика большой текучести гелия основывалась на явлении, для объяснения которого требовалась еще большая текучесть.