Pesquisadores da Universidade Politécnica de São Pedro, o Grande São Petersburgo (SPbPU) descobriram e teoricamente explicaram um novo efeito físico: a amplitude das vibrações mecânicas pode crescer sem influência externa. O grupo científico ofereceu suas explicações sobre como eliminar o paradoxo de Fermi-Pasta-Ulam-Tsingou.
Os cientistas da SPbPU explicaram isso usando um exemplo simples: para balançar um balanço, você precisa continuar pressionando. Geralmente, acredita-se que é impossível obter ressonância oscilatória sem influência externa constante.
No entanto, o grupo científico da Escola Superior de Mecânica Teórica, Instituto de Matemática Aplicada e Mecânica SPbPU descobriu um novo fenômeno físico de ‘ressonância balística “, em que as oscilações mecânicas podem ser excitadas apenas devido aos recursos térmicos internos do sistema.
O trabalho experimental de pesquisadores de todo o mundo demonstrou que o calor se espalha a velocidades anormalmente altas nos níveis nano e micro em materiais cristalinos ultrapuros. Esse fenômeno é chamado de condutividade de calor balístico.
O grupo científico supervisionado pelo membro correspondente da Academia Russa de Ciências Anton Krivtsov, derivou as equações que descrevem esse fenômeno e fez um progresso significativo na compreensão geral dos processos térmicos no nível micro. No estudo publicado na Physical Review E, os pesquisadores consideraram o comportamento do sistema na distribuição periódica inicial de temperatura no material cristalino.
O fenômeno descoberto descreve que o processo de equilíbrio térmico leva a vibrações mecânicas com uma amplitude que cresce com o tempo. O efeito é chamado de ressonância balística.
“Nos últimos anos, nosso grupo científico estudou os mecanismos de propagação de calor nos níveis micro e nano. Descobrimos que nesses níveis o calor não se espalha da maneira que esperávamos: por exemplo, o calor pode fluir do frio para o quente. Esse comportamento dos nanossistemas leva a novos efeitos físicos, como a ressonância balística “, disse o professor associado da Escola Superior de Mecânica Teórica da SPbPU, Vitaly Kuzkin.
Segundo ele, no futuro os pesquisadores planejam analisar como isso pode ser usado em materiais promissores como, por exemplo, grafeno.
Essas descobertas também oferecem uma oportunidade para resolver o paradoxo de Fermi-Pasta-Ulam-Tsingou. Em 1953, um grupo científico liderado por Enrico Fermi realizou um experimento com computadores que mais tarde se tornou famoso. Os cientistas consideraram o modelo mais simples de oscilações de uma cadeia de partículas conectadas por molas. Eles assumiram que o movimento mecânico desapareceria gradualmente, transformando-se em oscilações térmicas caóticas. Ainda assim, o resultado foi inesperado: as oscilações na cadeia primeiro quase decaíram, mas depois reviveram e atingiram quase o nível inicial. O sistema chegou ao seu estado inicial e o ciclo se repetiu. As causas de oscilações mecânicas de vibrações térmicas no sistema considerado são objeto de pesquisas científicas e disputas há décadas.
A amplitude das vibrações mecânicas causadas pela ressonância balística não aumenta infinitamente, mas atinge o seu máximo; depois disso, começa a diminuir gradualmente para zero. Eventualmente, as oscilações mecânicas desaparecem completamente e a temperatura se equilibra em todo o cristal. Esse processo é chamado de termização. Para os físicos, esse experimento é vital porque uma cadeia de partículas conectadas por molas é um bom modelo de material cristalino.
Pesquisadores da Escola Superior de Mecânica Teórica mostraram que a transição da energia mecânica para o calor é irreversível se considerarmos o processo na temperatura finita.
“Normalmente, não é levado em consideração que, em materiais reais, há um movimento térmico, juntamente com um mecânico, e a energia do movimento térmico é várias ordens de magnitude maior. Nós recriamos essas condições em um experimento em computador e mostramos que é o movimento térmico que amortece a onda mecânica e impede o renascimento das oscilações “, explicou Anton Krivtsov, diretor da Escola Superior de Mecânica Teórica SPbPU, membro correspondente da Academia Russa de Ciências.
Segundo especialistas, a abordagem teórica proposta pelos cientistas da SPbPU demonstra uma nova abordagem de como entendemos o calor e a temperatura. Pode ser fundamental no desenvolvimento de dispositivos nanoeletrônicos no futuro.
Publicado em 14/07/2020 13h11
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