07.7.2020 15:15:24

Ruští vědci objevili nový fyzikální paradox

Balistická rezonancia (ilustračný obrázok)
Balistická rezonancia (ilustračný obrázok)
(foto: Sputnik)


Vědci z Petrohradské polytechnické univerzity Petra Velikého (SPbPU) objevili a teoreticky vysvětlili nový fyzikální efekt, jehož podstatou je možnost zvýšení amplitudy mechanických vibrací objektu bez vnějšího vlivu. Kromě toho nabídli svou variantu odstranění paradoxu Fermi-Pasta-Ulam-Tsingou. (Sputnik)

 



Na Petrohradské polytechnické univerzitě Petra Velikého to bylo vysvětleno jednoduchým příkladem: aby se houpačka rozhoupala, je třeba do ní neustále strkat. Předpokládalo se, že bez neustálého vnějšího vlivu není možné dosáhnout vibrační rezonance.

Vědecká skupina Vyšší školy teoretické mechaniky Ústavu aplikované matematiky a mechaniky SPbPU však objevila nový fyzikální fenomén - balistickou rezonanci, při níž mohou mechanické vibrace vznikat pouze díky vnitřním tepelným zdrojům systému.

Klíčem k porozumění byly experimentální práce vědeckých skupin po celém světě, které ukázaly, že v ultračistých krystalických materiálech na nano a mikro úrovni se teplo šíří anomálně vysokou rychlostí. Tento jev byl nazván balistická tepelná vodivost.

Vědecký tým vedený členem korespondentem Ruské akademie věd Antonem Krivcovem odvodil rovnice popisující tento jev a učinil významný pokrok v porozumění tepelným procesům v mikroskopické stupnici. Ve studii uveřejněné ve vědeckém časopise Physical Review E vědci zkoumali chování systémů s počátečním periodickým rozložením teploty v krystalickém materiálu.

Objevený jev spočívá v tom, že proces vyrovnávání tepla vede ke vzniku mechanických vibrací se zvyšující se amplitudou v průběhu času. Tento efekt se nazývá balistická rezonance.

„V posledních několika letech náš výzkumný tým studoval mechanismy šíření tepla v mikro a nano částicích. Během práce jsme zjistili, že na těchto úrovních se teplo šíří úplně jinak, než jsme očekávali - například teplo může proudit od studeného k horkému. Takové chování nano systémů vede k novým fyzikálním jevům, jako je balistická rezonance,“ řekl Vitalij Kuzkin, docent Vyšší školy teoretické mechaniky SPbPU.

Podle jeho slov chtějí vědci v budoucnu pochopit, jak je to možné využít v takových perspektivních materiálech, jako je například grafen.

Tyto objevy také umožňují vyřešení paradoxu Fermi-Pasta-Ulam-Tsingou. V roce 1953 provedl výzkumný tým vedený Enricem Fermim počítačový experiment, který se později stal slavným. Vědci zkoumali nejjednodušší model vibrace řetězce částic spojených pružinami. Předpokládalo se, že mechanický pohyb bude postupně mizet a proměňovat se v chaotické termální vibrace, ale výsledek byl neočekávaný: vibrace v řetězci zpočátku téměř vymizely, ale poté se obnovily a dosáhly téměř počáteční úrovně. Systém se vrátil do původního stavu a cyklus se opakoval znovu. Příčiny vzniku mechanických vibrací působením tepla ve zkoumaném systému jsou již celá desetiletí předmětem vědeckých výzkumů a sporů.

Amplituda mechanických vibrací způsobených balistickou rezonancí se nezvyšuje donekonečna, ale dosahuje maxima, po němž začíná postupně klesat na nulu. V průběhu času mechanické vibrace úplně mizí a teplota se v celém krystalu vyrovnává. Tento proces se nazývá termalizace.

Pro mechaniky a fyziky je tento experiment důležitý z toho důvodu, že řetězec částic spojených pružinami je dobrým modelem krystalického materiálu.

Vědci z Vysoké školy teoretické mechaniky při Petrohradské polytechnické univerzitě prokázali, že k přeměně mechanické energie na teplo dochází nezvratně, pokud tento proces bereme v úvahu při konečné teplotě.

„Obvykle se nebere v úvahu, že v reálných materiálech je spolu s mechanickými přítomen tepelný pohyb, jehož energie je o několik řádů vyšší. Znovu jsme vytvořili tyto podmínky v počítačovém experimentu a ukázalo se, že právě tepelný pohyb tlumí mechanickou vlnu a brání obnově vibrací,“ vysvětlil Anton Krivcov, ředitel Vyšší školy teoretické mechaniky při Petrohradské polytechnické univerzitě, člen korespondent Ruské akademie věd.

Podle názoru odborníků umožňuje teoretický přístup navržený vědci z Petrohradské polytechnické univerzity se novým způsobem podívat, co se myslí teplem a teplotou, a může být zásadní pro vývoj nanoelektronických zařízení budoucnosti.

Sputnik