Risonanza balistica, un paradosso della fisica

Un fenomeno fisico di risonanza balistica, dove le oscillazioni meccaniche dipendono solo dalla temperatura del sistema

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Risonanza balistica, un paradosso della fisica
Risonanza balistica, un paradosso della fisica

Un gruppo di fisici del Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University (SPbPU) ha scoperto, fornendone contestualmente una spiegazione teorica, un nuovo effetto fisico: l’ampiezza delle vibrazioni meccaniche può crescere indipendentemente da fattori esterni.

Con questo studio, il gruppo ha fornito la sua spiegazione su come eliminare il Problema di Fermi – Pasta – Ulam – Tsingou.

Il fenomeno è stato spiegato utilizzando un semplice esempio: per far dondolare un’altalena, è necessario continuare a spingerla.

In effetti si è sempre supposto che sia impossibile ottenere una risonanza di oscillazione senza un intervento esterno costante.

Invece, il gruppo di scienziati della Higher School of Theoretical Mechanics, Institute of Apllied Mathematics and Mechanics della SPbPU, ha scoperto un nuovo fenomeno fisico di risonanza balistica, dove le oscillazioni meccaniche possono essere eccitate solo per effetto di risorse termiche interne del sistema.

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Le sperimentazioni condotte da ricercatori in diversi laboratori nel mondo, hanno dimostrato che, nei materiali cristallini ultrapuri, il calore si diffonde a velocità insolitamente elevate, su scale nano e micro.

Questo fenomeno è chiamato conducibilità termica balistica.

La risonanza balistica

Il gruppo scientifico, coordinato da Anton Krivstov, membro dell’Accademia Russa di Scienze, ha quindi formulato le equazioni che descrivono questo fenomeno e fatto dei progressi significativi nella comprensione più generale dei processi termici alle scale micro.

Nello studio, pubblicato su Physical Review E, i ricercatori hanno considerato il comportamento del sistema alla distribuzione periodica iniziale della temperatura nel materiale cristallino.

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Il fenomeno scoperto indica che il processo dell’equilibrio termico porta a delle vibrazioni meccaniche, la cui ampiezza cresce con il tempo. Questo effetto è chiamato risonanza balistica.

Il gruppo di ricercatori della SpbOU, negli ultimi cinque anni, è stato impegnato nello studio dei meccanismi di propagazione termica su scala micro e nano e si è scoperto che a queste dimensioni, il calore non si diffonde come ci si aspetterebbe.

Per esempio, potrebbe fluire dal freddo al caldo. Questo comportamento dei nanosistemi porta a nuovi effetti fisici, come per esempio la risonanza balistica, che, in futuro, potrebbe essere utilizzata in materiali come il grafene.

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Grazie a queste scoperte è possibile tentare di risolvere il paradosso di Fermi – Pasta – Ulam – Tsingou.

Nel 1953, un gruppo scientifico guidato da Enrico Fermi, ha effettuato un esperimento al computer, che successivamente sarebbe diventato famoso.

Come modello sperimentale per le oscillazioni era stata considerata una catena di particelle collegate da molle. Gli scienziati assunsero quindi che il movimento meccanico si sarebbe gradualmente attenuato, trasformandosi in oscillazioni termiche caotiche.

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Invece, fu ottenuto un risultato inatteso: in un primo momento le oscillazioni effettivamente si attenuarono, ma successivamente ripresero fino a raggiungere il livello iniziale.

Il sistema era quindi ritornato al suo stato iniziale, con un novo inizio del ciclo.

Le cause delle oscillazioni meccaniche da vibrazioni termiche nel sistema considerato sono state, per decenni, oggetto di ricerca e di disputa scientifica.

L’ampiezza delle vibrazioni meccaniche, causate dalla risonanza balistica, non cresce indefinitamente, ma raggiunge un valore massimo, dopo il quale comincia a decrescere verso lo zero.

Alla fine, le oscillazioni meccaniche si attenuano completamente, e la temperatura raggiunge un suo equilibrio in tutto il cristallo. Questo processo è chiamato termalizzazione.

Per i fisici, questo esperimento è importante perché una catena di particelle collegate da molle rappresenta un ottimo modello per un materiale cristallino.

Gli stessi ricercatori del SPbPU hanno dimostrato che, se si considera il processo a temperatura finita, la trasformazione di energia meccanica in energia termica è irreversibile.

Generalmente, non si tiene conto che nei materiali reali, oltre a un moto meccanico vi è anche un moto termico, e che l’energia di quest’ultimo è di molti ordini di grandezza più intensa.

Queste condizioni sono state ricreate in un esperimento con un computer ed è stato dimostrato che il movimento termico è la causa dello smorzamento delle onde meccaniche e impedisce la formazione di nuove oscillazioni.

Secondo gli esperti, l’approccio teorico proposto dagli scienziati di S. Pietroburgo fornisce una nuova prospettiva su come considerare il calore e la temperatura e potrebbe essere fondamentale per lo sviluppo futuro di dispositivi nanoelettronici.