Logo
Logo

Вихри в сверхтекучей жидкости

Разбалловка

A1  0,25 Нарисуйте линии тока. Найдите скорость $v$ в точке с радиус-вектором $\vec r$.

A1. 1 Правильные линии тока (хотя бы одна). 0,10
A1. 2 Получен ответ:
$$v=\cfrac{k}{r}{.}
$$
0,15
A2  0,50 Найдите форму свободной поверхности, которая образуется вокруг вихревой нити, т.е. зависимость высоты от расстояния до оси $z(\vec r)$. Ускорение свободного падения $g$. Поверхностным натяжением можно пренебречь.

A2. 1 (***) Получено выражение:
$$\operatorname{tg}\alpha=\cfrac{k^2}{gr^3}{,}
$$
либо эквивалентное.
0,25
A2. 2 Получен ответ:
$$z=z_0-\cfrac{k^2}{2gr^2}{.}
$$
(Если в $\mathrm{A1.2}$ получено $v\sim 1/r$ — применяется PEP).
0,25
B1  0,25 Рассмотрим два одинаковых вихря, которые вначале расположены на расстоянии $r_0$ друг от друга, как показано на рис. Найдите начальные скорости вихрей и изобразите их траектории.

B1. 1 Правильные траектории. 0,15
B1. 2 Получен ответ:
$$v_0=\cfrac{k}{r_0}{.}
$$
0,10
B2  0,15 Нарисуйте траектории вихрей $\mathrm A, \mathrm B$ и $\mathrm C$ (расположенного в центре).

B2. 1 Все траектории правильные. 0,15
B3  0,40 Найдите скорость $v(\vec r)$ вихря расположенного в точке с радиус-вектором $\vec r$.

B3. 1 (***) Получено выражение для плотности вихрей:
$$\left(\cfrac{u^2\sqrt{3}}{2}\right)^{-1}{.}
$$
0,20
B3. 2 Получен ответ:
$$v=\cfrac{2\pi kr}{u^2\sqrt{3}}{.}
$$
(Если $\mathrm{B3.1}$ неверно — применяется PEP).
0,20
B4  0,35 Найдите зависимость расстояния $\mathrm A\mathrm B(t)$ между вихрями $\mathrm A$ и $\mathrm B$ от времени $t$. Считайте $\mathrm A\mathrm B(0)$ в начальный момент времени заданным.

B4. 1 Получен ответ:
$$AB(t)=AB(0){.}
$$
0,35
B5  0,25 Найдите сглаженную форму свободной поверхности гелия $z(\vec r)$, не учитывая решетчатую структуру

B5. 1 Получен ответ:
$$z(r)=z_0+\cfrac{2\pi^2k^2r^2}{3gu^4}{.}
$$
(Если в $\mathrm{B3.2}$ получено $v\sim r$ — применяется PEP).
0,25
C1  0,30 Рассмотрим вихревую петлю в форме близкой к прямоугольнику с размерами $b\times d, b\ll d$, см. Рис выше. Укажите направление ее полного импульса $\vec P$. Найдите величину полного импульса.

C1. 1 Правильное направление импульса (стрела летит из листа ответов). 0,15
C1. 2 Правильная величина импульса:
$$P=2\pi k\rho bd{.}
$$
0,15
C2  0,70 Найдите энергию этой петли $U$.

C2. 1 Интегрирование производится в пределах от $\beta a$ до $b$, где $\beta\approx 1$. 0,20
C2. 2 Первый способ: Аналогия с магнитным полем:

$$U=\cfrac{LI^2}{2}\quad\text{или}\quad L=\cfrac{\Phi}{I}{.}
$$

Второй способ: Энергия вычисляется как работа внешней силы:

$$W=\int Fdr\quad\text{и}\quad F=\cfrac{dP}{dt}{.}
$$

0,20
C2. 3 Получен ответ:
$$U=2\pi k^2\rho d\ln\cfrac{b}{a}{.}
$$
($\ln(b/(\beta a))$ также засчитывается).
0,30
C3  0,75 Предположим, что мы сдвинули длинную прямую вихревую нить на расстояние $b$ в направлении оси $x$, см. Рис. Насколько изменился полный импульс жидкости? Укажите направление изменения полного импульса жидкости. Длина нити (ограниченная стенками сосуда) равна $d$.

C3. 1 (***) Используется результат пункта $\mathrm{C1}$. 0,30
C3. 2 Изменение импульса направлено вдоль оси $Y$. 0,10
C3. 3 Правильное направление изменения импульса (вверх в листах ответов). 0,15
C3. 4 Получен ответ:
$$\Delta{P}=2\pi k\rho bd{.}
$$
(оценивается, если похоже на $\mathrm{C1.2}$)
0,20
D1  0,50 Рассмотрим прямую вихревую нить, заряженную с постоянной линейной плотностью $\lambda<0$ и помещенную в однородное электрическое поле $\vec E$. Изобразите траекторию движения нити. Найдите зависимость ее скорости от времени.

D1. 1 Траектория представляет собой прямую линию, параллельную оси $Y$. 0,10
D1. 2 Правильное направление скорости (вверх). 0,20
D1. 3 Получен ответ:
$$v=\cfrac{E|\lambda|}{2\pi k\rho}{.}
$$
(Если в $\mathrm{C3.4}$ получено $\Delta{P}\sim b$ — применяется PEP).
0,20
D2  0,60 Нарисуйте траекторию движения центра вихревого кольца $C$. Найдите зависимость радиуса кольца от времени.

D2. 1 Траектория представляет собой прямую линию, параллельную оси $z$. 0,10
D2. 2 Правильное направление скорости (вверх). 0,15
D2. 3 (***) Получено выражение:
$$P(t)=P_0+2\pi ER_0|\lambda|t{.}
$$
0,15
D2. 4 (***) Получено выражение:
$$P=2\pi^2\rho R^2k{.}
$$
0,15
D2. 5 Получен ответ:
$$R=\sqrt{R^2_0+\cfrac{ER_0|\lambda|t}{\pi\rho k}}{.}
$$
0,05
D3  1,50 Найдите зависимость скорости центра кольца $v(t)$ от времени.

D3. 1 Получена пропорциональность:
$$v\sim \cfrac{1+\ln(R/a)}{R}\left(\approx \cfrac{\ln(R/a)}{R}\right){.}
$$
1,00
D3. 2 Получен ответ:
$$v=\begin{bmatrix}
\cfrac{k}{2\sqrt{R^2_0+\cfrac{ER_0|\lambda|t}{\pi\rho k}}}\left(1+\ln\cfrac{\sqrt{R^2_0+\cfrac{ER_0|\lambda|t}{\pi\rho k}}}{a}\right)\\
\cfrac{k}{2\sqrt{R^2_0+\cfrac{ER_0|\lambda|t}{\pi\rho k}}}\left(1+\ln\cfrac{R_0}{a}\right)\\
\cfrac{k}{2\sqrt{R^2_0+\cfrac{ER_0|\lambda|t}{\pi\rho k}}}\ln\cfrac{\sqrt{R^2_0+\cfrac{ER_0|\lambda|t}{\pi\rho k}}}{a}\\
\cfrac{k}{2\sqrt{R^2_0+\cfrac{ER_0|\lambda|t}{\pi\rho k}}}\ln\cfrac{R_0}{a}
\end{bmatrix}
$$
(Если в $\mathrm{D2.5}$ получено $R=\sqrt{a+bt}$ — применяется PEP).
0,50
D4  0,25 В некоторый момент времени $t^*$, когда скорость достигает значения $v^*=v(t^*)$, электрическое поле выключают. Найдите скорость $v(t)$ вихревого кольца в моменты времени $t>t^*$.

D4. 1 Получен ответ:
$$v(t)=v^*{.}
$$
0,25
E1  0,50 Нарисуйте траекторию прямолинейного вихря, первоначально расположенного на расстоянии $h_0$ от плоской стены. Найдите зависимость скорости от времени.

E1. 1 Изображена правильная траектория 0,15
E1. 2 Правильное направление скорости (влево). 0,10
E1. 3 Получен ответ:
$$v=\cfrac{k}{2h_0}{.}
$$
0,25
E2  0,75 Чему равна начальная скорость $v_0$ вихря?

E2. 1 (***) Идея использования принципа суперпозиции и метода изображений. 0,25
E2. 2 Получен ответ:
$$v=\cfrac{k}{2\sqrt{2}h_0}{.}
$$
0,50
E3  0,50 Изобразите траекторию вихря.

E3. 1 Траектория имеет правильную кривизну. 0,30
E3. 2 Правильное направление скорости (вправо и вниз). 0,20
E4  1,50 Чему равна скорость вихря $v_{\infty}$ спустя очень большой промежуток времени?

E4. 1 Использован закон сохранения энергии (или эквивалент). 0,50
E4. 2 Получен ответ:
$$v_{\infty}=\cfrac{k}{h_0\sqrt{2}}{.}
$$
1,00
E4. 3 При нахождении $v_{\infty}$ допущена арифметическая ошибка. 0,50