A descoberta de uma camada de 'tempestade' criada quando o hélio superfluido flui através de uma superfície áspera completou um século de compreensão sobre uma das descobertas mais importantes da física quântica em sua cabeça.

Matemáticos da Universidade de Newcastle, REINO UNIDO, mostraram pela primeira vez que o superfluido Hélio tem uma camada limite que "adere" às ​​superfícies da mesma forma que um fluido comum.

Contudo, ao contrário dos fluidos normais que são puxados para trás pela fricção, no superfluido Hélio a resistência é causada pela criação de mini tornados, que se enredam como espaguete, diminuindo o fluxo.

Publicado hoje na revista acadêmica Cartas de revisão física , essa primeira evidência de uma camada de 'tempestade' muda todas as suposições anteriores sobre como os superfluidos se movem e pode ser usada para entender melhor seu uso como refrigerantes e em dispositivos de medição de precisão, como giroscópios.

Tempestade em uma xícara de chá

Autor principal do artigo, Dr. George Stagg, da Escola de Matemática e Estatística da Universidade de Newcastle, diz que, para visualizar os resultados da pesquisa, você só precisa pensar na xícara de chá da manhã.

"Imagine que você mexa uma xícara de chá e, em seguida, retire a colher, " ele explica.

"Parece que todo o chá está girando, mas, na verdade, o chá fica parado na parede da xícara, pois fica preso ali. Devido ao atrito, camadas adjacentes de fluido são retidas enquanto tentam girar em torno do copo. Essa "camada limite" logo faz com que o fluxo pare.

"Mas se fôssemos repetir com uma xícara de hélio superfluido, o fluido continuaria girando para sempre, pois não há atrito, e nenhuma camada limite, para segurá-lo.

"Ou pelo menos é isso que sempre se acreditou.

"O que nossa pesquisa mostrou é que esse fenômeno só é verdadeiro para superfícies perfeitamente lisas. Se a superfície for 'áspera' na escala de nanômetros, como todas as superfícies são, então, mini-tornados são criados à medida que o superfluido flui pela superfície.

"Esses vórtices rodopiantes se enredam como espaguete e - assim como quando você drena o espaguete e o deixa por muito tempo em uma panela - eles ficam juntos, criando uma camada limite de movimento lento entre o fluido de movimento livre e a superfície.

"Então, em nossa xícara de chá, o que realmente veríamos ao redor da borda é uma 'tempestade' - uma camada de tornados girando juntos e fazendo com que o fluxo de fluido mais próximo da fronteira quase pare.

"Isso significa que, contrário ao nosso entendimento passado, o hélio superfluido realmente se comporta da mesma maneira que um fluido comum. "

Uma das descobertas mais importantes do século 20

O hélio é um dos poucos elementos conhecidos que nunca se tornará sólido, mas permanece líquido mesmo em temperaturas extremamente baixas.

Em 1908, O físico holandês Kamerlingh Onnes tornou-se a primeira pessoa a liquefazer o hélio e, dois anos depois, descobriu quando ele foi resfriado a apenas alguns graus acima do zero absoluto, iria parar de ferver abruptamente.

Seria várias décadas depois, Contudo, antes que os cientistas pudessem explicar as estranhas propriedades do hélio superfrio - sua falta de viscosidade e sua restrição para girar apenas em minúsculos tornados de tamanho e força fixos.

Junto com outras propriedades, essas se tornaram as 'marcas da superfluidez'.

"Esse fluxo desimpedido era uma das propriedades mais interessantes de um superfluido, "explica o Dr. Nick Parker, Palestrante sênior em Matemática Aplicada e co-autor do artigo.

"Mudou tudo o que pensávamos saber sobre as leis da fricção. Por exemplo, se mexermos uma xícara de chá e criarmos um 'tornado', assim que removemos a colher, o tornado começa a desacelerar e, eventualmente, para. Mas se mexermos um superfluido, o tornado continuará para sempre, mesmo depois que a colher for removida.

"Essa falta de viscosidade é uma das principais características que definem um superfluido."

Importância das camadas limites

Camadas limites surgem quando os fluidos do dia a dia, fluindo superfícies passadas, são retardados por forças viscosas e entender o que está acontecendo na camada limite é particularmente importante na engenharia.

"Ver essa conexão próxima entre os superfluidos e os fluidos clássicos nos ajuda a reunir as ligações entre esses tipos de fluido aparentemente distintos, possivelmente até mesmo para formar uma compreensão universal de como os fluidos fluem através das superfícies, "diz o Dr. Parker.

"Camadas limites são cruciais em fluidos normais para muitas aplicações, como melhorar o fluxo de líquidos através de canos ou o escoamento da água da chuva em materiais de construção.

Agora, em superfluidos, podemos usar esse conhecimento para melhorar suas aplicações como refrigerantes e em dispositivos de medição de precisão, como giroscópios. "