I ricercatori della Peter the Great St.Petersburg Polytechnic University (SPbPU) hanno scoperto e teoricamente spiegato un nuovo effetto fisico:l'ampiezza delle vibrazioni meccaniche può crescere senza influenze esterne. Il gruppo scientifico ha offerto la sua spiegazione su come eliminare il paradosso Fermi-Pasta-Ulam-Tsingou.

Gli scienziati di SPbPU lo hanno spiegato usando un semplice esempio:per dondolare un'altalena, devi continuare a spingerlo. Si ritiene generalmente che sia impossibile ottenere una risonanza oscillatoria senza una costante influenza esterna.

Però, il gruppo scientifico della Scuola Superiore di Meccanica Teorica, Institute of Applied Mathematics and Mechanics SPbPU ha scoperto un nuovo fenomeno fisico di "risonanza balistica, " dove le oscillazioni meccaniche possono essere eccitate solo a causa delle risorse termiche interne del sistema.

Il lavoro sperimentale di ricercatori di tutto il mondo ha dimostrato, che il calore si diffonde a velocità anormalmente elevate a livelli nano e micro nei materiali cristallini ultrapuri. Questo fenomeno è chiamato conducibilità termica balistica.

Il gruppo scientifico supervisionato dal membro corrispondente dell'Accademia delle scienze russa Anton Krivtsov, ha derivato le equazioni che descrivono questo fenomeno e ha compiuto progressi significativi nella comprensione generale dei processi termici a livello micro. Nello studio pubblicato su Revisione fisica E i ricercatori hanno considerato il comportamento del sistema alla distribuzione periodica iniziale della temperatura nel materiale cristallino.

Il fenomeno scoperto descrive che il processo di equilibrio termico porta a vibrazioni meccaniche con un'ampiezza che cresce con il tempo. L'effetto è chiamato risonanza balistica.

"Negli ultimi anni, il nostro gruppo scientifico ha studiato i meccanismi di propagazione del calore a livello micro e nano. Abbiamo scoperto che a questi livelli, il calore non si diffonde nel modo in cui ci aspettavamo:ad esempio, il calore può passare dal freddo al caldo. Questo comportamento dei nanosistemi porta a nuovi effetti fisici, come la risonanza balistica, ", ha affermato il Professore Associato della Scuola Superiore di Meccanica Teorica SPbPU Vitaly Kuzkin.

Secondo lui, in futuro i ricercatori hanno in programma di analizzare come questo può essere utilizzato in materiali promettenti come, Per esempio, grafene.

Queste scoperte forniscono anche l'occasione per risolvere il paradosso di Fermi-Pasta-Ulam-Tsingou. Nel 1953, un gruppo scientifico guidato da Enrico Fermi eseguì un esperimento informatico che in seguito divenne famoso. Gli scienziati hanno considerato il modello più semplice di oscillazioni di una catena di particelle collegate da molle. Pensavano che il movimento meccanico sarebbe gradualmente svanito, trasformandosi in oscillazioni termiche caotiche. Ancora, il risultato è stato inaspettato:le oscillazioni della catena prima quasi decadute, ma poi si riprese e raggiunse quasi il livello iniziale. Il sistema è arrivato al suo stato iniziale, e il ciclo si è ripetuto. Le cause delle oscillazioni meccaniche da vibrazioni termiche nel sistema considerato sono da decenni oggetto di ricerche e controversie scientifiche.

L'ampiezza delle vibrazioni meccaniche causate dalla risonanza balistica non aumenta all'infinito, ma raggiunge il suo massimo; dopodiché inizia a diminuire gradualmente fino a zero. Infine, le oscillazioni meccaniche svaniscono completamente, e la temperatura si equilibra in tutto il cristallo. Questo processo è chiamato termalizzazione. Per i fisici, questo esperimento è vitale perché una catena di particelle collegate da molle è un buon modello di materiale cristallino.

Ricercatori della Scuola Superiore di Meccanica Teorica hanno dimostrato che la transizione dell'energia meccanica in calore è irreversibile se si considera il processo alla temperatura finita.

"Generalmente, non si tiene conto che nei materiali reali, c'è un movimento termico, insieme a uno meccanico, e l'energia del moto termico è di parecchi ordini di grandezza superiore. Abbiamo ricreato queste condizioni in un esperimento al computer e abbiamo mostrato che è il movimento termico che smorza l'onda meccanica e impedisce la rinascita delle oscillazioni, " ha spiegato Anton Krivtsov, direttore della Scuola Superiore di Meccanica Teorica SPbPU, membro corrispondente dell'Accademia Russa delle Scienze.

Secondo gli esperti, l'approccio teorico proposto dagli scienziati SPbPU dimostra un nuovo approccio al modo in cui comprendiamo il calore e la temperatura. Potrebbe essere fondamentale nello sviluppo di dispositivi nanoelettronici in futuro.