Onderzoekers van de Peter the Great St.Petersburg Polytechnic University (SPbPU) hebben een nieuw fysiek effect ontdekt en theoretisch verklaard:de amplitude van mechanische trillingen kan groeien zonder invloed van buitenaf. De wetenschappelijke groep bood hun uitleg over hoe de Fermi-Pasta-Ulam-Tsingou-paradox te elimineren.

De wetenschappers van SPbPU legden het uit aan de hand van een eenvoudig voorbeeld:een schommel laten schommelen, je moet het blijven pushen. Algemeen wordt aangenomen dat het onmogelijk is om oscillerende resonantie te bereiken zonder constante externe invloeden.

Echter, de wetenschappelijke groep van de Hogere School voor Theoretische Mechanica, Instituut voor Toegepaste Wiskunde en Mechanica SPbPU ontdekte een nieuw natuurkundig fenomeen van 'ballistische resonantie, " waar mechanische trillingen alleen kunnen worden opgewekt vanwege interne thermische bronnen van het systeem.

Het experimentele werk van onderzoekers van over de hele wereld toonde aan, die warmte verspreidt zich met abnormaal hoge snelheden op nano- en microniveau in ultrazuivere kristallijne materialen. Dit fenomeen wordt ballistische warmtegeleiding genoemd.

De wetenschappelijke groep onder toezicht van het corresponderende lid van de Russische Academie van Wetenschappen Anton Krivtsov, de vergelijkingen afgeleid die dit fenomeen beschrijven en aanzienlijke vooruitgang geboekt in het algemene begrip van thermische processen op microniveau. In de studie gepubliceerd in Fysieke beoordeling E onderzoekers beschouwden het systeemgedrag bij de initiële periodieke temperatuurverdeling in het kristalmateriaal.

Het ontdekte fenomeen beschrijft dat het proces van warmte-equilibratie leidt tot mechanische trillingen met een amplitude die met de tijd toeneemt. Het effect wordt ballistische resonantie genoemd.

"De afgelopen jaren onze wetenschappelijke groep heeft onderzoek gedaan naar de mechanismen van warmtevoortplanting op micro- en nanoniveau. We kwamen erachter dat op deze niveaus, warmte verspreidt zich niet zoals we hadden verwacht:bijvoorbeeld, warmte kan van koud naar heet stromen. Dit gedrag van nanosystemen leidt tot nieuwe fysieke effecten, zoals ballistische resonantie, " zei universitair hoofddocent van de Hogere School voor Theoretische Mechanica SPbPU Vitaly Kuzkin.

Volgens hem, in de toekomst zijn de onderzoekers van plan te analyseren hoe dit kan worden gebruikt in veelbelovende materialen als, bijvoorbeeld, grafeen.

Deze ontdekkingen bieden ook een kans om de paradox van Fermi-Pasta-Ulam-Tsingou op te lossen. In 1953, een wetenschappelijke groep onder leiding van Enrico Fermi voerde een computerexperiment uit dat later beroemd werd. Wetenschappers beschouwden het eenvoudigste model van oscillaties van een keten van deeltjes verbonden door veren. Ze gingen ervan uit dat het mechanische uurwerk geleidelijk zou verdwijnen, veranderen in chaotische thermische trillingen. Nog altijd, het resultaat was onverwacht:de trillingen in de ketting vervielen eerst bijna, maar herleefde toen en bereikte bijna het oorspronkelijke niveau. Het systeem kwam in zijn oorspronkelijke staat, en de cyclus herhaalde zich. De oorzaken van mechanische trillingen door thermische trillingen in het beschouwde systeem zijn al tientallen jaren onderwerp van wetenschappelijk onderzoek en geschillen.

De amplitude van mechanische trillingen veroorzaakt door ballistische resonantie neemt niet oneindig toe, maar bereikt zijn maximum; daarna begint het geleidelijk af te nemen tot nul. Eventueel, mechanische trillingen vervagen volledig, en de temperatuur komt in evenwicht in het hele kristal. Dit proces wordt thermalisatie genoemd. Voor natuurkundigen, dit experiment is van vitaal belang omdat een keten van deeltjes verbonden door veren een goed model is van kristalmateriaal.

Onderzoekers van de Hogere School voor Theoretische Mechanica toonden aan dat de overgang van mechanische energie in warmte onomkeerbaar is als we het proces bij de eindige temperatuur beschouwen.

"Gebruikelijk, er wordt geen rekening mee gehouden dat in echte materialen, er is een thermische beweging, samen met een mechanische, en de energie van thermische beweging is enkele ordes van grootte hoger. We hebben deze omstandigheden nagebootst in een computerexperiment en hebben aangetoond dat het de thermische beweging is die de mechanische golf dempt en de heropleving van oscillaties voorkomt. " legde Anton Krivtsov uit, directeur van de Hogere School voor Theoretische Mechanica SPbPU, corresponderend lid van de Russische Academie van Wetenschappen.

Volgens experts, de theoretische benadering voorgesteld door de SPbPU-wetenschappers demonstreert een nieuwe benadering van hoe we warmte en temperatuur begrijpen. Het kan in de toekomst van fundamenteel belang zijn bij de ontwikkeling van nano-elektronische apparaten.