Ученые обнаружили новый физический парадокс

Исследователи из Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (СПбПУ) обнаружили и теоретически объяснили новый физический эффект: амплитуда механических колебаний может расти без внешнего воздействия. Научная группа предложила свои объяснения о том, как устранить парадокс Ферми-Паста-Улам-Цинго.

Ученые СПбПУ объяснили это на простом примере: чтобы качать качели, нужно постоянно толкать их. Обычно считается, что невозможно добиться колебательного резонанса без постоянного внешнего воздействия.

 Новое физическое явление «баллистического резонанса»

Однако научная группа из Высшей школы теоретической механики Института прикладной математики и механики СПбПУ обнаружила новое физическое явление «баллистического резонанса», где механические колебания могут возбуждаться только за счет внутренних тепловых ресурсов системы.

Подписывайтесь на наш youtube канал!

Экспериментальная работа исследователей со всего мира продемонстрировала, что тепло распространяется на аномально высоких скоростях на нано- и микроуровнях в сверхчистых кристаллических материалах. Это явление называется баллистической теплопроводностью.

Научная группа под руководством члена-корреспондента РАН Антона Кривцова разработала уравнения, описывающие это явление, и достигла значительных успехов в общем понимании тепловых процессов на микроуровне. В исследовании, опубликованном в Physical Review E, исследователи рассмотрели поведение системы при начальном периодическом распределении температуры в кристаллическом материале.

Открытое явление описывает, что процесс уравновешивания тепла приводит к механическим колебаниям с амплитудой, которая растет со временем. Эффект называется баллистическим резонансом.

«В течение последних нескольких лет наша научная группа изучала механизмы распространения тепла на микро- и наноуровнях. Мы обнаружили, что на этих уровнях тепло распространяется не так, как мы ожидали: например, тепло может течь от холода к горячему. Такое поведение наносистем приводит к новым физическим эффектам, таким как баллистический резонанс», - сказал доцент Высшей школы теоретической механики СПбПУ Виталий Кузькин.

По его словам, в будущем исследователи планируют проанализировать, как это можно использовать в таких перспективных материалах, как, например, графен.

Эти открытия также дают возможность разрешить парадокс Ферми-Паста-Улам-Цингу. В 1953 году научная группа во главе с Энрико Ферми провела компьютерный эксперимент, который позже стал известным. Ученые рассмотрели простейшую модель колебаний цепочки частиц, связанных пружинами. Они предполагали, что механическое движение будет постепенно исчезать, превращаясь в хаотические тепловые колебания. Тем не менее, результат был неожиданным: колебания в цепи сначала почти затухли, но затем возобновились и достигли почти исходного уровня. Система пришла в свое первоначальное состояние, и цикл повторился. Причины механических колебаний от тепловых колебаний в рассматриваемой системе были предметом научных исследований и споров на протяжении десятилетий.

Амплитуда механических колебаний, вызванных баллистическим резонансом, не увеличивается бесконечно, а достигает своего максимума; после этого он начинает постепенно уменьшаться до нуля. В конце концов, механические колебания полностью исчезают, и температура уравновешивается во всем кристалле. Этот процесс называется термализацией. Для физиков этот эксперимент жизненно важен, потому что цепочка частиц, связанных пружинами, является хорошей моделью кристаллического материала.

Исследователи из Высшей школы теоретической механики показали, что переход механической энергии в тепло является необратимым, если рассматривать процесс при конечной температуре.

«Обычно не учитывается, что в реальных материалах, наряду с механическим, имеется тепловое движение, а энергия теплового движения на несколько порядков выше. Мы воссоздали эти условия в компьютерном эксперименте и показали, что именно тепловое движение тушит механическую волну и препятствует возрождению колебаний», - объяснил Антон Кривцов, директор Высшей школы теоретической механики СПбПУ, член-корреспондент РАН.

По мнению экспертов, теоретический подход, предложенный учеными СПбПУ, демонстрирует новый подход к пониманию тепла и температуры. Это может иметь основополагающее значение для развития наноэлектронных устройств в будущем. опубликовано econet.ru по материалам phys.org

Подписывайтесь на наш канал Яндекс Дзен!

P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление - мы вместе изменяем мир! © econet