Подземные реки Крыма, аккреционный диск звезды и новый вид крошечных лягушек

Наука и жизньНаука

Вести из институтов и экспедиций

Тепло раскачивает колебания

Обычно для для раскачивания колебаний механической системы необходимо на неё подействовать внешней периодической силой. При совпадении частоты колебаний этой силы с собственной частотой колебаний системы наступает резонанс — увеличение амплитуды колебаний. Так, для того чтобы раскачать качели, надо их периодически в такт подталкивать. Существующие внутри всех тел тепловые колебания молекул на раскачку колебаний не влияют. Наоборот, преобразование механической энергии в тепловую служит причиной затухания колебаний, прекращения механического движения.

Однако на микро- и наноуровнях обычные макроскопические представления могут быть неприменимы. Исследователи Высшей школы теоретической механики Института прикладной математики и механики Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (СПбПУ) под руководством члена-корреспондента РАН Антона Мирославовича Кривцова теоретически показали, что механические колебания могут возбуждаться благодаря наличию распространяющегося теплового возмущения. Это новое физическое явление они назвали баллистическим резонансом. Теория была подкреплена численным (компьютерным) моделированием.

Изменение со временем колебаний, вызванных баллистическим резонансом.

Основанием для работы стали теоретические и экспериментальные исследования последнего времени, в которых выяснилось, что законы теплопроводности на микроуровне отличаются от классического закона, открытого Ж.-Б. Фурье ещё в 1807 году. Оказалось, что в кристаллах тепло может распространяться с необычно высокой скоростью. Такую теплопроводность исследователи назвали баллистической.

А. М. Кривцов и его коллеги показали, что, если в кристалле создать периодический начальный профиль температуры (например, синусоидальный), то он не будет просто расплываться, переходя к тепловому равновесию, как это ожидается в классическом случае. В кристалле возникает волновой перенос тепла, называемый баллистическим. Волна температуры приводит к переменному тепловому расширению, которое играет роль периодической силы, возбуждающей макроскопические механические колебания. Причём частота этой «силы» совпадает с собственной частотой механических колебаний, что приводит к резонансу и увеличению амплитуды колебаний. Этот резонанс и получил название баллистического. Заметим, что в этом случае раскачка колебаний в замкнутой системе происходит без какого-либо внешнего механического воздействия. Амплитуда колебаний при баллистическом резонансе после достижения максимума постепенно полностью затухает, и температура в кристалле, как и положено, выравнивается, наступает тепловое равновесие.

На основании данного подхода авторы работы предложили решение парадокса, или проблемы Ферми—Паста—Улама—Цингу. Летом 1953 года Энрико Ферми, Джон Паста, Станислав Улам и Мэри Цингу провели компьютерное моделирование колеблющейся струны, представленной цепочкой шариков, соединённых пружинами. Исследователи предполагали, что начальное колебание струны постепенно превратится в хаотические случайные колебания шариков, соответствующие тепловым колебаниям молекул в телах (этот процесс называют термализацией). Но оказалось, что превращение механической энергии в тепловую не так уж и просто. Неожиданно возникло сложное периодическое колебание с возвращением к исходному состоянию — термализация не наступила. Такое поведение цепочки поставило фундаментальный вопрос о возможности применения законов статистической механики к описанию подобных нелинейных систем. А статистическая физика — важнейший инструмент описания систем из большого числа частиц. Потому уже на протяжении нескольких десятилетий эта проблема служит предметом научных исследований.

Физики СПбПУ показали, что если наряду с механическими колебаниями учесть ещё и тепловое движение при конечной температуре, энергия которого намного больше, чем у колебаний, то механические колебания перестают быть периодическими и монотонно затухают — термализация наступает.

Результаты исследований опубликованы в журнале Physical Review E (doi.org/10. 1103/PhysRevE. 101. 042209).

Алексей Понятов

Подземные реки Крыма

В Крыму, традиционно испытывающем недостаток пресной воды, возможно, скоро ситуация с водоснабжением улучшится. Такую надежду дают результаты исследования подземных высокотемпературных очагов формирования напорных пресных вод в Крымских горах. Исследования на протяжении нескольких лет вели сотрудники Севастопольского государственного университета (СевГУ) и НИИ сельского хозяйства Крыма РАН.

Гидрогеологи на территории Крыма обнаружили два крупных источника формирования подземных пресных вод. Они расположены вблизи вторичных магматических очагов затухших вулканов. Как пояснил заведующий лабораторией ядерно-химических технологий кандидат технических наук Николай Ковалёв, на высокотемпературную часть магматических очагов застывших вулканов поступают очень широкие (от 7 до 15 км) потоки морской воды из Чёрного моря с глубин 380—400 м. Длина потоков достигает иногда сотни километров.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Королева водорослей Королева водорослей

Как превратить природный мусор на пляже в искусные и долговечные предметы?

Вокруг света
15 уроков периода высоких ставок глазами банкира 15 уроков периода высоких ставок глазами банкира

Что мы поняли за годы высоких ставок?

Ведомости
Лесные девицы — черницы и голубицы Лесные девицы — черницы и голубицы

Чем так примечательны голубика и черника

Наука и жизнь
Опять и опять «Назад в будущее» Опять и опять «Назад в будущее»

Краткая история ленты «Назад в будущее», вырастившей последнее поколение XX века

Weekend
Жуки-навозники: 70 миллионов лет эволюции Жуки-навозники: 70 миллионов лет эволюции

Деятельность жуков-навозников имеет воистину планетарное значение

Наука и жизнь
Буль-буль Буль-буль

Фантастический рассказ Владислава Кулигина «Буль-буль»

Знание – сила
Пять стадий Египта Пять стадий Египта

Пройдя все стадии принятия Египта, я был вознагражден

Вокруг света
Александр Лабас: не авангардист, не соцреалист Александр Лабас: не авангардист, не соцреалист

Голос А. Лабаса — сложный, полифоничный, подчас ускользающий от прямых смыслов

Монокль
Сера: из отходов в материал будущего Сера: из отходов в материал будущего

В мире ежегодно производится почти 80 миллионов тонн серы

Наука и жизнь
Кнут Гамсун Кнут Гамсун

Кнут Гамсун говорил от имени нации и тем сильно её скомпрометировал

Дилетант
Клятва Гиппократа. 9 мифов об отце медицины Клятва Гиппократа. 9 мифов об отце медицины

Поджигатель, правитель, автор основополагающего труда в истории медицины…

Вокруг света
Дейнотерий – слон с берегов Дона Дейнотерий – слон с берегов Дона

Слоны – одни из самых стабильных в эволюционном плане животных...

Наука и техника
Мат: посмотрим в корень Мат: посмотрим в корень

Доктор филологических наук Максим Кронгауз рассуждает о судьбе русского мата

Наука и жизнь
10 неожиданных вопросов Кате Гусевой 10 неожиданных вопросов Кате Гусевой

Расспросили королеву ремиксов Катю Гусеву о вере в приметы и любви к собакам

VOICE
Где искать ключики от весны? Где искать ключики от весны?

Как выглядят первые вестники долгожданной весны?

Наука и жизнь
Вот оно какое, наше лето Вот оно какое, наше лето

Чем занять ребенка на даче: советы для детей любого возраста

Лиза
Глубинный народ Глубинный народ

Жизнь буквально раздавила скатов

Вокруг света
Нестор Энгельке Нестор Энгельке

Нестор Энгельке внес топоропись в энциклопедию современного искусства

Собака.ru
Рыцарь грозного образа Рыцарь грозного образа

Император Павел четыре года боролся с вольномыслием и в итоге был убит

Дилетант
Через санкции к росту Через санкции к росту

Как российская экономика ищет способы сотрудничества с глобальными игроками

Эксперт
Откуда что пошло на флоте Откуда что пошло на флоте

Повседневная жизнь на парусном военном корабле XVIII века

Наука и техника
Страховка с биткойном Страховка с биткойном

Как работают инвестиционные полисы с привязкой к биткойну

Ведомости
Мошенники делают ставки Мошенники делают ставки

Как мошенники используют аккаунты граждан в букмекерских конторах

Ведомости
Из портов на биржу Из портов на биржу

Угольщики стремятся расширить сбыт на внутреннем рынке на фоне падения экспорта

Ведомости
Золотой век английской карикатуры Золотой век английской карикатуры

«Отечество карикатуры и пародии» — об Англии Георгианской эпохи

Дилетант
Тюрьма народов Тюрьма народов

Как побег из Алькатраса лишь укрепил имидж легендарной тюрьмы

Дилетант
Земля на стыке гипотез Земля на стыке гипотез

Земля в процессе своего развития расширялась или сжималась?

Знание – сила
Почему ЕС не растет Почему ЕС не растет

Что провоцирует системный кризис развития Евросоюза

Эксперт
Инфляция в белых халатах Инфляция в белых халатах

Медицинская инфляция может ускориться до 14% к концу года

Ведомости
Архив богини Фауны Архив богини Фауны

Зоологический музей Московского университета – «отражение самой природы»

Знание – сила
Открыть в приложении