Pull to refresh

Comments 82

Спасибо за статью! Очень пригодится, если придётся плыть в сверхтекучей жидкости (например, в жидком гелии).
Придёт время, научимся загружать своё сознание в механические тела, выдерживающие критические условия, нам и не такие навыки пригодятся.
Впрочем, есть еще другие планеты/спутники, где вопросы проходимости дронов, стоят очень остро уже прямо сейчас.
Если бы мне предложили такую задачу, то я бы решал её так:

1. Создадим сферическое тело с соплом и клапаном, сопло закрывающим по нашему желанию.
2. Добавим в него боковые симметричные отверстия с клапанами (симметрия: равномерно по окружности с шагом в 30 градусов, например).
3. Добавим внутри сферы поршень любого вида. (Если возникает вопрос о создании импульса из-за движения поршня, пусть он будет сферический надувающийся).

Принцип движения:
1) закрыть клапан сопла
2) Открыть боковые отверстия
3) Убрать поршень (сжать/сдуть), пока внутренняя поверхность не наполнится.
4) Закрыть боковые клапаны
5) открыть клапан сопла.
6) Вытеснить жидкость поршнем.
Я бы оттолкнулся от берега по-сильнее и плыл по-инерции.
А если необходимо изменить вектор движения уже в середине водоема?
Когда увидел, что навстречу пытается плыть акула? )
Очередная идея для казуальной игрушки — пройти извилистую трассу в жидком гелии, отталкиваясь от акул.
А эти движения как раз будут несимметричными относительно обращения времени — при запуске времени в обратном направлении получится то же самое, но с переставленными местами 3-й и 6-й стадиями, т.е. последовательность операций не будет совпадать с исходной.
Не очень понял про симметричность. Допустим моллюск медленно раскрывает створки, а потом резко захлопывает. Получаем небольшую реактивную струю, которая толкает в противоположную сторону. Да, при раскрытии чуть смешается назад, но в целом должен двигаться вперёд ведь. Или я что-то упускаю?
Если резко захлопывает, то теорема Пёрселла уже нарушается, она справедлива для очень медленных движений. Моллюску ее нарушить довольно просто, а вот на пространственных масштабах микроорганизмов это уже нереально, они не могут двигаться с достаточно большой для ее нарушения скоростью.
Ну т.е. плавать можно, если не создавать очень специфичных условий и не быть микроорганизмом, что из статьи не очень очевидно с учётом упоминания моллюска и рук-ног.
Про моллюска и микроорганизмы — это рассуждения для вязкой жидкости, а в сверхтекучей жидкости макроскопические размеры не помогут, там придется захлопывать створки со сверхзвуковой скоростью.
Т.е. даже если возьмём предельный случай — мешок который сокращается (как у кальмаров например) — всё равно импульс получить не выйдет без сверхзвука?
Если засасывать и выбрасывать воду через одно и то же отверстие, то, думаю, не получится. Будут просто колебания взад-вперед.
Всасывать, поворачиваться, выбрасывать, поворачиваться. Повторить.
Разница в силе. В обычной жидкости роль играет еще и размер сопла, но в вашем случае как-то так: засасывание воды производится медленно и дает небольшой импульс по движению назад (P=V*H*c). Выбрасывание воды происходит быстро и даёт существенно больший импульс по движению вперед (P2=V*H2*c2). где V — объем воды одинакова, H-сила всасывания, H2 сила выталкивания, c-время всасывания, с2-время выталкивания. Т.к. переменные H и с обратно пропорциональны только на некотором отрезке, а в дальнейшем при повышении силы H разница будет заметнее. Приведу пример для лучшего понимания: взяли объем V рядом, затратили E энергии, потом оттолкнули его сильнее и затратили E*2 энергии, в итоге импульс отталкивания выше чем импульс притягивания. Еще интереснее если брать как было выше объем сбоку, тогда назад отката не будет. Про запуск времени в обратном направлении забудьте, ересь какая-то. Нет такого способа чтобы время запустить в обратном направлении. Не придумали еще человеки и пока что не предвидится, смиритесь с этим…
Невозможность движения таким образом доказывается строго — https://arxiv.org/abs/0909.3860
— но как это объяснить на пальцах, не очень понятно. В доказательстве ключевым моментом является то, что движение сверхтекучей жидкости является безвихревым, т.е. жидкость не может закручиваться.

Применительно к вашему примеру: если исходить из уравнения Гросса-Питаевского, описывающего движение сверхтекучего конденсата, то сгусток разогнанной жидкости, который вы создаете при выталкивании, не сможет уйти на бесконечность и унести с собой импульс. Возможно, из-за этого сгустка за кормой создастся область пониженного давления, которая потянет пловца назад и скомпенсирует реактивный импульс. Так или иначе, нужно рассматривать не только силу взаимодействия между стенками камеры и жидкостью во время выталкивания и засасывания, а всю динамику системы в целом, как это делается при строгом рассмотрении.

Обращение времени — это, конечно, мысленная операция, но очень важная и широко используемая в теоретической физике. Анализ поведения системы при обращении времени позволяет многое сказать о ее качественных свойствах. Хотя локально, в какой-то небольшой системе, в экспериментах удается обратить движение во времени (спиновое эхо, эхо Лошмидта), это используется как метод исследования квантовой динамики.
Не пойму причем тут безвихревое свойство. Ну не может жидкость закручиваться и как-то я не вижу как это относится к обсуждаемой теме? Это как то помешает предложенной схеме движения? Если да то попрошу уточнить как именно.

1)Почему сгусток не сможет уйти в бесконечность я понимаю, т.к. сверхтекучесть это не нулевое сопротивление, а просто очень маленькое, настолько маленькое что им можно пренебречь в нашей системе отсчета. Применительно к бесконечности по расстоянию и времени естественно когда-нибудь этот импульс сгустка погасится. Но мне и не нужно это, мну нужно только оттолкнуться от него, а там пусть себе летит в бесконечность сколь угодно. 2) Варианты «возможно» не интересны.

Ок, мысленно обращать время мы умеем = это и есть теория. Но вот в экспериментах… не знаю ни одного эксперимента чтобы обратить движение во времени. Если знаете опишите его.
Потенциальность течения жидкости используется в математическом доказательстве теоремы, запрещающей плавание за счет обратимых движений. Как именно это проявляется на языке действующих на тело сил — точно сказать не могу (выше высказал лишь свое предположение), здесь было бы хорошо провести моделирование, но с такой степенью детальности его, вроде бы, никто не описывал.

Сверхтекучесть — это как раз нулевая вязкость, а не просто очень маленькая.

Экспериментов по реализации эха Лошмидта довольно много, вот только один пример:
https://journals.aps.org/pra/abstract/10.1103/PhysRevA.79.032324
А здесь есть большой обзор со множеством ссылок на эксперименты:
http://www.scholarpedia.org/article/Loschmidt_echo
Не могу согласится с вашей информацией о нулевой вязкости, вики мне говорит обратное: На сегодняшний день установлено, что коэффициент вязкости у гелия-II меньше 10^−12 Па·с, в то время как у гелия-I вблизи температуры 4,22 К этот коэффициент имеет величину порядка 10^−6 Па·с — это не ноль, хотя и очень маленькое значение.

Я не профессиональный ученый, а просто люблю физику и у меня были замечательные учителя. Я искренне уверен что любой физический процесс или явление можно объяснить простым языком доступным для понимания обычному школьнику, а уж тем более образованному человеку. т.к. вы не можете/не желаете отвечать на мои вопросы прямо и постоянно используете уловки чтобы перевести тему на то что к теме обсуждения не относится, то считаю дальнейшую дискуссию не продуктивной. Особенно меня радует эхо Лошмидта, которое я рассматривал весь вечер на приведенных вами ссылках и я искал информации больше, в надежде развеять сомнения в моих неполных знаниях или неполном понимании предмета. Но не вижу в экспериментах доказанного обращения во времени, только причинно-следственные связи и возможность вернуть объекты исследования в исходные позиции/состояния, пусть и на микро-уровне. Хотя там настолько усложнено и изобилует новыми для меня терминами, что читать и понимать это оказалось очень долго и тяжело.
Теоретически вязкость нулевая, эксперименты показывают, что она не превышает какую-то очень малую величину — здесь нет противоречия (x=0 и x<10^-12 друг другу не противоречат). Гелий II это сверхтекучий гелий, а гелий-I это обычный жидкий гелий.
Получится, при выбрасывании жидкости, импульс будет более направленным чем при ее всасывании
И ваше решение бы отвергли потому, что вы используете реактивную тягу. а статья, вообще-то, была про гребной движитель. Простейший.

А если рассматривать пловца-человека, то получится ли у него плыть в сверхтекучей жидкости, или жидкость начнёт сразу заливаться в лёгкие? Т.е. как только человек войдёт в воду, то сразу начнёт утопать.

Если мы говорим про жидкий гелий, то у «человека-пловца» будут более экстренные проблемы, чем посторняя жидкость в лёгких.

Например, температура окружающей среды ниже температуры замерзания кислорода.
Можно жиром намазаться перед плаваньем.
Я попытался было попробовать посчитать насколько медленее будет остывать тело при перепаде температур в 300К, но быстро сдался — операторы Лапласа не для меня.

Зато у меня есть простая аналогия: с точки зрения теплопереноса направление не важно. Насколько хорошо защитит жировая плёнка тело при погружении в жидкость при температуре 300 градусов цельсия?

Мне кажется, это называется «фритюр». В отношении холода аналогично, только в обратную сторону.
Ну потолще намазаться. И главное на нос прищепку.
Строго говоря (мы ведь тут фундаментальную научную задачу решаем, а не груши околачиваем), разница есть — вниз почти до 0К и вверх до 600К отличаются по теплопроводности и теплоёмкости радикально.
Тут надо учесть ещё, что на поверхности тела жидкий гелий будет испаряться, образуя газовую прослойку между телом и жидкостью.
Но недолго. Где-то пару минут. Потом тело достигнет температуры гелия и пловцу придётся переходить на квантовые методы существования.

Можно тупо подольше плавать в скафандре

Надо просто барахтаться но сверхзвуковой скоростью, тогда не замерзнешь.
На самом деле очень надолго хватит.
Жидкий гелий несмотря на сверхнизкую температуру очень хреновый охладитель. Из-за очень низкой теплоты парообразования — в более чем в 100 раз ниже чем у воды, примерно в 10 раз ниже чем у жидкого азота.

В результате среднестатистическая тушка массой 70 кг (большей частью состоящая из воды с ее высокой теплоемкостью), помещенная в жидкий гелий при охлаждении всего на 10 градусов испаряет вокруг себя больше 100 кг гелия (или почти 1000 литров жидкости с учетом его плотности). А что такое 100 кг сверхлегкого газа в газообразной форме можно себе представить — эффект лейденфроста будет очень мощным и продолжительным.

Другое дело, что о каком-то плавании при плотности жидкости в 7 раз ниже чем у воды говорить особо не приходится — это будет хождение по дну в пузыре из постоянно кипящего газа, а не плавание.
Акваланг, термокостюм и много-много пенопласта для поплавка, учитывая плотность жидкого гелия.
В пенопласте много воздуха, он уменьшится в объеме при охлаждении и потонет.
Вместо поплавка можно взять жесткий спасательный круг. Даже если воздух внутри него замерзнет до твердого состояния, масса этого воздуха не изменится, а значит сила Архимеда тоже.
Хотя конечно воздух лучше заменить на водород или хотя бы гелий.
UFO landed and left these words here
Представил себе ртутный унитаз… :-)
Вы недооцениваете пенопласт, многие сорта выдерживают. Есть ещё аэрогель. А вот привязать к себе кубометр водорода и выдыхать на него часть кислорода… Что-то в этом плане не то.
Трюк в том, что если взять достаточно большой спасательный круг с водородом, в жидкий гелий можно и не лезть, летая немного над ним…
Тогда уж проще не с воздухом, а сразу «закачать» в него вакуум.
В жестком спасательном круге в таких условиях и водород не нужен. При достаточной жесткости круга самое эффективное откачать из него все газы вообще.
можно плавать в скафандре
Как-то я плавал в грязи в луже вулкане. Плыть там было проблематично: гребок рукой продвигает вперед, возвращение в исходную позицию продвигает назад, в итоге стоишь на месте. Нужна такая же статья, но для очень вязкой жидкости.
для очень вязкой жидкости

Застывший бетон?
Про вязкую жидкость как раз есть подробное рассмотрение в упомянутом докладе Пёрселла (на английском, к сожалению).
По сути, вы на себе испытали то, что чувствуют плавающие в воде микроорганизмы. На их пространственных масштабах вода ведет себя как предельно вязкая, не обладающая инерцией жидкость. И для того, чтобы в такой жидкости передвигаться, нужно вращать спиральным жгутиком, а грести руками бесполезно.
Вызов принят. Пойду отращивать спиральный жгутик
Инфузория-туфелька с вами не согласится.
В очень вязкой у человека всегда есть поверхность с проносом руки поверху. напр в принципе можно «плыть» по песку.

Вот именно так я и сделал потом :) там ещё и плотность была очень высокая: при всём желании я не мог опуститься глубже. Можно было даже плавать на спине, подняв ноги над поверхностью...

Интересно — тогда почему пострадавшим, попавшим в зыбучие пески, либо болото или смоляные ямы — не советуют в нём шевелиться, а не то что плавать?..
С другой стороны — в грязевой луже Вы испытали то, что чувствовали всякие динозавры и мамонты как раз перед тем, как скрыться на миллионы лет с дневной поверхности.
Интересная аналогия :D но, в отличии от диназавров я, слава богу, выжил. Да и не я один. Место-то было туристическим, там люди непрерывным потоком плавали и вылазили из грязи. А по-поводу песков и болота: возможно, там плотность меньше плотности тела, вот и такая разница
Зыбучий песок — другая история. Он не просто вязкий, он — неньютоновская жидкость. В нём чем быстрее движешься, тем он твёрже.
Насчет смоляных не в курсе, а зыбучие и болото в них практически невозможно утонуть по настоящему — т.е. погрузиться с головой и задохнуться из-за того, что средняя плотность такой среды выше плотности тела.
Но делая много резких непродуманных движений можно так сильно и плотно увязнуть, что выбраться без посторонней помощи станет невозможно. И потом умереть от перегрева/переохлаждения или обезвоживания не дождавшись этой самой помощи.
По-моему, вполне очевидно, что отталкиваться от такой жидкости можно, поскольку ее удерживает на месте, помимо вязкого трения, еще и инерция.

оттолкнуться можно, но как это сделать несколько раз? если возвращаться в исходную позицию, то см. т. Пёрселла.

А в чем проблема? Грубо говоря, при отталкивании весло ставится поперек движения, а при его возврате — вдоль.
Наверное, так тоже можно плыть, но в сверхтекучей жидкости это будет гораздо менее эффективно.
Мне кажется, что Вы перевели материал, но не углубились в суть явления. Грести можно и вантузом туда-обратно за счёт перераспределения импульса вдоль и поперёк движения. В статье рассматривается совсем уж сферический конь в вакууме — возвратно-поступательные движения без извлечения из среды… Хорошо, я первый: прошу либо по сути, либо, блин, наконец, смешно!
При возвратно-поступательных движениях вантузом в сверхтекучей жидкости вы не поплывете, если только не будете двигать им быстрее скорости звука. Это доказывается в виде теоремы. Собственно, это и есть суть статьи: чтобы плыть, нужно совершать не возвратно-поступательные движения, а более сложные, не превращающиеся сами в себя при обращении времени.

Описанные выше движения веслами в эту категорию попадают, но чтобы количественно оценить их эффективность, нужно проводить расчеты. Так-то качественно понятно, что они будут менее эффективными, чем в нормальной жидкости.
Движения вантузом вполне могут быть несимметричны, если при движении «от себя» его диаметр будет шире, чем при обратном движении, на котором он будет слегка сжиматься. Представьте себе зонтик в воздухе, который вы болтаете туда-сюда.
Так да, хотя те вантузы, которые я встречал, были довольно жесткие.

Элостичност вантуза должна нарушать т. Пёрселла, он как будто надувается.

А не слишком ли это все напоминает газы? Я конечно не физик, но ведь они ведут себя практически так же. Поправьте, если не прав, но сходу не придумал никаких существенных отличий. Может стоило просто на газы посмотреть?
Ну это все гидродинамика, она общая для газов и жидкостей. Различия лишь в количественных характеристиках — газы менее плотные и легче сжимаются, — а уравнения одни и те же. И сверхтекучими бывают как жидкости, так и газы.
Уравнения Навье-Стокса для жидкостей, газов и плазмы одинаковые. Ну, в смысле, закорючки в них одинаковые, но скрываются под этими закорючками разные коэффициенты и прочие там числа Рейнольдса. Но есть одно важное отличие: невырожденные газы сжимаемы, а жидкости обычно нет.

Только сферические жидкости в вакууме несжимаемы (а.к.а малые возмущения вроде звука по ним распространяются мгновенно на любые расстояния). Просто скорость звука в воде значительно выше скорости звука в воздухе (что-то вроде 1500м/с, если я не ошибаюсь). Редко какие тела могут двигаться в воде с такой скоростью :) поэтому для большинства расчётов та же вода принимается несжимаемой. И, кстати, для несжимаемой жидкости-таки, уравнения другие. Точнее, уравнение неразрывности другое. Ну и уравнение состояния тоже своё

а волны в сверхтекучей жидкости распространяются? Пловец будет генерировать волны, а это энергия кудато уходящая, и соответсвенно откудато берется. может и двигать тело в жидкости.
Волны да, распространяются, но только для их возбуждения в сверхтекучей жидкости нужно двигаться со скоростью, превышающей некоторый порог (в жидком гелии это сотни метров в секунду). Этот случай как раз рассмотрен на 5-й по счету картинке.

А что, при дозвуковых движениях "возбудителя" волны разве не излучаются? Просто интенсивность будет меньше, поскольку давление почти успевает выравниваться

Вообще, критерий сверхтекучести Ландау запрещает формирование возбуждений (и, соответственно, передачу сверхтекучей жидкости импульса и энергии), если скорость движения тела меньше критической. Поэтому тело, движущееся или колеблющееся с достаточно малой скоростью, не будет создавать звуковых. Конечно, это не отменяет того, что оно будет толкать и возмущать вокруг себя жидкость, но все это будет происходить, если переходить на язык оптики, в области ближнего поля, а в дальнем поле звуковых волн не будет.
Ну человек плыть таки может. Вытягивая руку вдоль, вы перед собой толкаете меньше газа, чем отталкивает назад рукой. Чисто масса выкинутая назад больше. Аналогично человек плывет на станции в микрогравитации, в воздухе.

Хотя скорость без ласт на руки будет минимальна.

Расмотренные уравнения работают только для симетричных во времени движений, а у вас будет круговое, несимметричное.
Остается только удивляться какой чушью занимаются ученые и как далеки их теоретические изыскания от реальности. При чем тут гребешки? Они что, из-за теоремы этого Порсела разучились плавать? И при чем здесь сверхзвуковое движение в жидкости (попробуйте-ка изобразить!)? Гребешки двигаются за счет реактивного момента при быстром схлопывании створок. При раскрытии скорость меньше — это во первых, а во вторых, это не полный аналог. Хоть это движение и можно прокручивать вперед-назад,, но вот жидкость-то ведет себя совершенно по разному! При всасывании нет такого сильного момента, как при выбрасывании и дело тут совсем не в вязкости. Вообще, любой пловец делает не просто движения вперед-назад, траектория движений гораздо сложнее. Это надо совершенно не уметь плавать, чтобы этого не понимать. Как и то, что если находясь в воде просто махать руками вперед-назад, то поплывешь только в одну сторону — на дно!
Если же не начинать от таких неуместных аналогий, как это сделано в статье, а непосредственно с поставленной задачи, то аналогию можно было взять у кольчатых червей и змей. Если представить себе три шара, соединенных «змейкой», то периодические волнообразные изменения размеров шаров (увеличение переднего шара, затем среднего, затем заднего и по кругу) или извивания — очевидные способы перемещения. Дальше уже можно математический аппарат подводить.
Движение морского гребешка возможно только при некоторых промежуточных значениях числа Рейнольдса.

Если число Рейнольдса очень малое (это случай предельно вязкой жидкости, очень малых размеров, как для микроорганизмов или очень малой скорости движения), то работает теорема Пёрселла, и такой способ движения не годится. Просто не будет реактивной струи. Соответственно, микроорганизмы его использовать не могут, а используют извивания или жгутики.

Если же число Рейнольдса очень большое (это случай сверхтекучей жидкости), то работает аналог теоремы Пёрселла, и способ передвижения морского гребешка тоже не работает.

Как раз в этой статье (и в других цитированных в ней статьях) и подводится строгий математический аппарат под все эти вещи.
Многие водные микроорганизмы миллиарды лет имеют кремниевый панцирь, но никто не передвигается хлопая его створками — как моллюск.
Спасибо за разъяснения, но в статье я никаким образом этого не увидел. Там упоминается гребешок, сразу же скачок к некоему «пловцу» из двух частей, который с гребешком ничего общего не имеет.
Only those users with full accounts are able to leave comments. Log in, please.