Большая Советская Энциклопедия (СВ) - БСЭ БСЭ

Сверхскоростная киносъёмка

Сверхскоростна'я киносъёмка, киносъёмка со скоростью свыше 105 кадр/сек; применяется в различных областях науки и техники для исследования явлений и процессов, протекающих с весьма высокими скоростями (взрывов, распространения ударных волн, электрических разрядов, ядерных реакций и др.). С. к. используется также при создании учебных и научно-популярных фильмов в качестве метода, дающего возможность зрителю детально рассмотреть все фазы движения объекта съёмки.

  Диапазон скоростей 105—107 кадр/сек перекрывается с использованием методов оптической компенсации и оптической коммутации (об этих методах см. в ст. Высокоскоростная киносъёмка), а также электрической коммутации. При С. к. по методу электрической коммутации последовательные изображения формируются на неподвижном светочувствительном материале с помощью ряда идентичных объективов или линз, располагаемых в направлении движения объекта съёмки. При съёмке осуществляется коммутация (переключение) соответствующего числа импульсных источников света, каждый из которых освещает поле съёмки только одного объектива; при этом коммутация должна обеспечивать освещение объекта в тот момент, когда он находится перед очередным объективом.

  Наивысшие (~109 кадр/сек) скорости съёмки достигаются применением растровой съёмки и съёмки с диссекцией изображения. При растровой съёмке образованное объективом оптическое изображение разлагается с помощью механического или оптического растра на отдельные элементы, разнесённые в плоскости изображения. Перемещая взаимно растровое изображение и светочувствительный материал, на последнем получают развёртку изображения (см. Развёртка оптическая) в виде ряда полос (по числу элементов изображения). Ширина полосы равна протяжённости элемента изображения в направлении, перпендикулярном направлению развёртки, а изменение оптической плотности каждой полосы по её длине передаёт изменение яркости данного участка кадра во время съёмки. Печать позитивов с негатива развёрнутого изображения производится при обратном ходе лучей. Для получения последовательности кадров необходимо после печати каждого отдельного кадра смещать негатив в направлении развёртки на величину поперечника элемента изображения.

  Количество отснятых кадров при растровой съёмке ограничено расстоянием между элементами изображения на светочувствительном материале в направлении развёртки и не превышает 300. Такого ограничения не имеет т. н. съёмка с диссекцией изображения, когда поле кадра разделяют на узкие полоски, которые при помощи специального оптического приспособления (диссектора) проецируются на одну линию. Аналогичные результаты даёт использование системы тонких световодов (в виде волокон диаметром 0,01—0,005 мм), если одни концы световодов расположить вплотную друг к другу в поле первичного оптического изображения, а другие уложить в один ряд по линии, перпендикулярной направлению развёртки.

  Лит.: Сахаров А. А., Высокоскоростная съёмка, М., 1950; Дубовик А. С., Фотографическая регистрация быстропротекающих процессов, М., 1964; Саламандра Г. Д., Фотографические методы исследования быстропротекающих процессов, М., 1974.

  А. А. Сахаров.

Сверхтекучесть

Сверхтеку'честь, особое состояние квантовой жидкости, находясь в котором жидкость протекает через узкие щели и капилляры без трения; при этом протекающая часть жидкости обладает равной нулю энтропией. Единственным представителем семейства сверхтекучих жидкостей долгое время считался жидкий гелий 4He, становящийся сверхтекучим ниже температуры Тl= 2,17 К (при давлении насыщенных паров ps= 37,8 мм рт. ст.). Сверхтекучий 4He назывался Не II (см. Гелий). С. Не II была открыта П. Л. Капицей в 1938. В 1972—74 было установлено, что С. обладает также жидкий 3He при температуре ниже Тс = 2,6 ×10-3 К на кривой плавления. Переход нормальных жидких 4He и 3He в сверхтекучее состояние представляет собой фазовый переход II рода.

  Сверхтекучую жидкость нельзя представлять как жидкость, не обладающую вязкостью, т. к. эксперименты с крутильными колебаниями диска, погруженного в Не II, показали, что затухание колебаний при температуре, не слишком далёкой от Тl («лямбда-точки»), мало отличается от затухания аналогичных колебаний в Не I, который С. не обладает.

  Теория сверхтекучести Не II. С. He ll была объяснена Л. Д. Ландау в 1941. Теория Ландау, получившая название двухжидкостной гидродинамики, основана на представлении о том, что при низких температурах свойства Не II как слабовозбуждённой квантовой системы обусловлены наличием в нём элементарных возбуждений, или квазичастиц. Согласно этой теории, Не II можно представить состоящим из двух взаимопроникающих компонент: нормальной и сверхтекучей.

  Нормальная компонента при температурах, не слишком близких к Тl, представляет собой совокупность квазичастиц двух типов — фононов (квантов звука) и ротонов (квантов коротковолновых возбуждений, обладающих большей, чем у фононов, энергией). При T = 0 плотность нормальной компоненты rn = 0, поскольку при этом любая квантовая система находится в основном состоянии и возбуждения (квазичастицы) в ней отсутствуют. При температурах от абсолютного нуля до 1,7—1,8 К совокупность элементарных возбуждений в 4He можно рассматривать как идеальный газ квазичастиц. С дальнейшим приближением к Tl из-за заметно усиливающегося взаимодействия квазичастиц модель идеального газа становится неприменимой. Взаимодействие квазичастиц между собой и со стенками сосуда обусловливает вязкость нормальной компоненты.

  Остальная часть Не II — сверхтекучая компонента — вязкостью не обладает и поэтому свободно протекает через узкие щели и капилляры; её плотность rs= r —  rn, где r — плотность жидкости. При Т = 0, rs= r, при увеличении температуры концентрация квазичастиц растет, поэтому rs уменьшается и, наконец, обращается в нуль при Т = Тl (С. в l-точке исчезает, рис. 1). Согласно теории Ландау, жидкость перестаёт быть сверхтекучей и в случае, когда скорость её потока превышает критическое значение, при котором начинается спонтанное образование ротонов (см. Квантовая жидкость). При этом сверхтекучая компонента теряет импульс, равный импульсу испускаемых ротонов, и, следовательно, тормозится. Однако экспериментальное значение критической скорости существенно меньше той, которая требуется по теории Ландау для разрушения С.

  С микроскопической точки зрения появление С. в жидкости, состоящей из атомов с целым спином (бозонов), например атомов 4He, связано с переходом при Т< Тl значительного числа атомов в состояние с нулевым импульсом. Это явление называется Бозе — Эйнштейна конденсацией, а совокупность перешедших в новое состояние атомов — Бозе-конденсатом. Существование в Не II атомов, обладающих различным характером движения, — атомов конденсата и атомов, не вошедших в конденсат, — приводит к двухжидкостной гидродинамике Ландау (Н. Н. Боголюбов; 1947, 1963). Состояние всех частиц Бозе-конденсата описывается одной и той же квантовомеханической волновой функцией (конденсатной функцией) y = , где no — плотность конденсата, j — фаза волновой функции. В случае, если атомы слабо взаимодействуют между собой, no совпадает с rs. В Не II из-за сильного взаимодействия атомов no составляет при Т = 0 лишь несколько процентов rs. Скорость движения сверхтекучей компоненты us связана с j соотношением , где  — градиент функции j, m —  масса атома 4He,  и h — Планка постоянная. Это означает, что сверхтекучая компонента движется потенциально (см. Потенциальное течение) и, следовательно, не испытывает сопротивления со стороны обтекаемых ею предметов и стенок канала или сосуда.

  Потенциальность течения сверхтекучей компоненты может нарушаться на осях т. н. квантованных вихрей, которые отличаются от вихрей в обычных жидкостях (см. Вихревое движение) тем, что циркуляция скорости вокруг оси вихря квантуется (Л. Онсагер, 1948; Р. Фейнман, 1955). Квант циркуляции скорости равен h/m. Квантованные вихри осуществляют взаимодействие между сверхтекучей и нормальной компонентами сверхтекучей жидкости. Это взаимодействие приводит хотя и к слабому, но конечному затуханию потока сверхтекучей жидкости в замкнутом канале. При некоторой скорости движения сверхтекучей компоненты относительно нормальной компоненты или стенок сосуда квантованные вихри начинают образовываться настолько интенсивно, что свойство С. исчезает. В рамках этой теории С. пропадает при скоростях, существенно меньших предсказываемых теорией Ландау и более близких к реальным значениям критической скорости. Квантованные вихри наблюдаются экспериментально при вращении сосуда с Не II. Кроме того, в экспериментах с ионами, инжектируемыми в Не II, обнаружены квантованные вихри, имеющие форму кольца.