Его суть заключается в возможности роста амплитуды механических колебаний объекта без внешнего воздействия
Ученые Санкт-Петербургского политехнического университета Петра
Великого (СПбПУ) обнаружили и теоретически объяснили новый
физический эффект, суть которого заключается в возможности роста
амплитуды механических колебаний объекта без внешнего
воздействия. Кроме того, они предложили свой вариант устранения
парадокса Ферми-Паста-Улама-Цингу, сообщает РИА Новости.
В СПбПУ это объяснили на простом примере: чтобы раскачать качели,
их нужно постоянно подталкивать. Считалось, что без постоянного
внешнего воздействия добиться колебательного резонанса
невозможно.
Однако научная группа Высшей школы теоретической механики
Института прикладной математики и механики СПбПУ обнаружила новое
физическое явление — баллистический резонанс, при котором
механические колебания могут возбуждаться исключительно за счет
внутренних тепловых ресурсов системы.
Ключом к пониманию стали экспериментальные работы научных групп
по всему миру, показавшие, что в сверхчистых кристаллических
материалах на нано- и микроуровне тепло распространяется с
аномально высокой скоростью. Это явление назвали баллистической
теплопроводностью.
Научная группа под руководством члена-корреспондента РАН Антона
Кривцова вывела уравнения, описывающие это явление, и существенно
продвинулась в понимании тепловых процессов на микромасштабах. В
исследовании, опубликованном в научном журнале Physical Review
E, ученые рассмотрели поведение систем при начальном
периодическом распределении температуры в кристаллическом
материале.
Обнаруженное явление заключается в том, что процесс выравнивания
тепла приводит к возникновению механических колебаний с
возрастающей со временем амплитудой. Эффект получил название
баллистического резонанса.
«Последние несколько лет наша научная группа занимается
исследованием механизмов распространения тепла на микро- и
наноуровне. В процессе работы мы обнаружили, что на этих уровнях
тепло распространяется совсем не так, как мы ожидали — например,
тепло может течь от холодного к горячему. Такое поведение
наносистем приводит к новым физическим эффектам, таким как
баллистический резонанс», — отметил доцент Высшей школы
теоретической механики СПбПУ Виталий Кузькин. По его словам, в
дальнейшем ученые хотят понять, как это можно использовать в
таких перспективных материалах, как, например, графен.
Эти открытия также дают возможность разрешения парадокса
Ферми-Паста-Улама-Цингу. В 1953 году научная группа,
возглавляемая Энрико Ферми, провела ставший впоследствии
знаменитым компьютерный эксперимент. Ученые рассмотрели
простейшую модель колебаний цепочки частиц, соединенных
пружинками. Предполагалось, что механическое движение постепенно
затухнет, превратившись в хаотические тепловые колебания, однако
результат оказался неожиданным: колебания в цепочке сначала
практически затухли, но затем возродились и практически достигли
начального уровня. Система пришла в начальное состояние, и цикл
снова повторился. Причины появления механических колебаний из
тепловых в рассмотренной системе уже на протяжении десятков лет
являются предметом научных исследований и споров.
Амплитуда механических колебаний, вызванная баллистическим
резонансом, не возрастает бесконечно, а достигает максимума,
после чего начинает постепенно уменьшаться до нуля. Со временем
механические колебания затухают полностью, а температура
выравнивается вдоль всего кристалла. Этот процесс называется
термализацией. Для механиков и физиков данный эксперимент важен
по той причине, что цепочка частиц, соединенных пружинками,
является хорошей моделью кристаллического материала.
Исследователи Высшей школы теоретической механики СПбПУ показали,
что переход механической энергии в тепло происходит необратимо,
если рассматривать процесс при конечной температуре.
«Обычно не учитывается, что в реальных материалах, наряду с
механическими, присутствует тепловое движение, энергия которого
на несколько порядков выше. Мы воссоздали эти условия в
компьютерном эксперименте и показали, что именно тепловое
движение гасит механическую волну и препятствует возрождению
колебаний», — пояснил директор Высшей школы теоретической
механики СПбПУ, член-корреспондент РАН Антон Кривцов.
По мнению экспертов, теоретический подход, предложенный учеными
СПбПУ, позволяет по-новому взглянуть на то, что понимается под
теплом и температурой, и может иметь основополагающее значение
при разработке наноэлектронных устройств будущего.
Иллюстрация: © Высшая школа
теоретической механики
Источник: ria.ru
Источник: scientificrussia.ru
