Одномерный кристалл — различия между версиями
(→Физические процессы) |
|||
| Строка 18: | Строка 18: | ||
Одномерный кристалл с нелинейным взаимодействием между частицами. | Одномерный кристалл с нелинейным взаимодействием между частицами. | ||
| + | |||
| + | * [https://en.wikipedia.org/wiki/Fermi%E2%80%93Pasta%E2%80%93Ulam_problem ФПУ кристалл] (сохраняются первые слагаемые в разложении силы по малой деформации — модель, приведшая к знаменитому парадоксу Ферми-Паста-Улама). | ||
| + | |||
| + | * [https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A6%D0%B5%D0%BF%D0%BE%D1%87%D0%BA%D0%B0_%D0%A2%D0%BE%D0%B4%D1%8B#cite_note-1 Кристалл (цепочка) Тоды] (сила зависит экспоненциально от деформации — одна из немногих точно интегрируемых нелинейных задач). | ||
=== Квазиодномерный кристалл === | === Квазиодномерный кристалл === | ||
Версия 20:54, 17 июля 2015
Кафедра ТМ > Научный справочник > Механика > МДС >Одномерный кристалл
Одномерный кристалл: цепочка взаимодействующих частиц — простейшая модель для исследования общих свойств дискретных сред.
Модели
Гармонический одномерный кристалл
Одномерный кристалл с линейным взаимодействием между частицами. Возможные разновидности:
- Простой гармонический одномерный кристалл (все частицы и связи одинаковы).
- Сложный гармонический одномерный кристалл (массы частиц и/или жесткости связей изменяются периодически вдоль кристалла).
- Неупорядоченный гармонический одномерный кристалл (массы частиц и/или жесткости связей меняются случайным образом вдоль кристалла).
Ангармонический одномерный кристалл
Одномерный кристалл с нелинейным взаимодействием между частицами.
- ФПУ кристалл (сохраняются первые слагаемые в разложении силы по малой деформации — модель, приведшая к знаменитому парадоксу Ферми-Паста-Улама).
- Кристалл (цепочка) Тоды (сила зависит экспоненциально от деформации — одна из немногих точно интегрируемых нелинейных задач).
Квазиодномерный кристалл
Кристалл, в котором частицы упорядочены в одномерную цепочку, однако движение частиц осуществляется как в продольном, так и в поперечном направлении.
Физические процессы
Распространение волн
В гармоническом приближении — наиболее простой для математического анализа процесс: распространение длинных волн описывается волновым уравнением. Для более коротких волн существенным становится дисперсия: зависимость скорости волны от ее длины, выражаемое дисперсионным уравнением. Для нелинейных волн взаимное влияние нелинейности и дисперсии приводит к очень сложным процессам, некоторое представление о которых можно получить из наблюдения обрушения морских волн вблизи береговой линии.
Уравнения состояния и фазовые переходы
Одномерный кристалл может находится только в двух состояниях: твердом и жидко-газообразном, так в 1D нет различия между газом и жидкостью. Для твердой фазы, в простейших случаях, уравнение состояния (например, уравнение Ми-Грюнайзена) может быть выведено аналитически из дискретных уравнений динамики кристалла. Имеется также множество работ по исследованию фазовых переходов.
Перенос тепла
Сложный и нетривиальный процесс, даже для простейших гармонических моделей одномерного кристалла. Как правило, не описывается классическим законом Фурье. Подробнее...
Переход тепла из механических степеней свободы в тепловые
Одна из краеугольных проблем термодинамики и статистической физики. Одно из первых исследований, приведших к парадоксальным результатам — знаменитая работа Ферми-Паста-Улама.
Разрушение
Одномерный кристалл представляет собой удобную модель для исследования влияния дискретности на процесс разрушения. В работах на эту тему обнаружен ряд принципиальных особенностей, присущих только дискретным системам.
Публикации по теме
Теплопроводность в одномерных кристаллах
- Z. Rieder, J. L. Lebowitz and E. Lieb. Properties of a Harmonic Crystal in a Stationary Nonequilibrium State. J. Math. Phys. 8, 1073 (1967). Abstract. (Впервые показано, что для гармонической цепочки тепловой поток не зависит от количества частиц, а равновесная температура везде, кроме окрестности краев, равна полусумме температур краевых точек).
- Hiroshi Nakazawa. On the Lattice Thermal Conduction. Prog. Theor. Phys. Supplement (1970), 45, 231-262. (Результаты Rieder at al (1967) аналитически распространяются на другие граничные условия и пространственный гармонический кристалл, для ангармонической цепочки численно показано, что тепловое сопротивление растет с увеличением нелинейности).
- Baowen Li, Lei Wang, and Giulio Casati. Thermal Diode: Rectification of Heat Flux. Phys. Rev. Lett. 93, 184301 (2004) [4 pages]. (На примере контакта двух цепочек с различной нелинейностью показана осуществимость теплового диода — устройства, работающего как тепловой проводник в одну и изолятор в другую сторону).
- Zonghua Liu, Baowen Li. Heat conduction in a 1D harmonic chain with three dimensional vibrations (26 Jun 2008) arXiv:0806.4224 (Показано, что теплопроводность в гармонической цепочке при пространственных вибрациях зависит от постоянной решетки, чего не наблюдается при одномерных вибрациях).
- D. Roy, A. Dhar. Heat Transport in Ordered Harmonic Lattices. J Stat Phys (2008) 131: 535–541. (Получена точная формула для теплового потока в гармонической цепочке, в частных случаях воспроизводящая результаты Rieder et al. (1967) и Nakazawa (1970), исследуется также квантовый случай).
- Pereira, E., Lemos, H.C.F., Ávila, R.R. Ingredients of thermal rectification: The case of classical and quantum self-consistent harmonic chains of oscillators. Phys. Rev. E 84, 061135 (2011) [7 pages]. (Для гармонической цепочки с распределенными тепловыми резервуарами показано, что термическая ректификация отсутствует в классическом и присутствует в квантовом случае).
- V. Kannan, A. Dhar, and J. L. Lebowitz. Nonequilibrium stationary state of a harmonic crystal with alternating masses. PRE 85, 041118 (2012). (Аналитически и численно рассматривается гармоническая цепочка, в которой четные и нечетные частицы имеют разные массы. Показано, что при наличии теплового потока через систему частицы разной массы имеют разные температуры даже при . Причем для четного числа частиц горячее оказываются более тяжелые частицы, для нечетного — наоборот).
Разрушение одномерных кристаллов
- Слепян Л.И., Троянкина Л.В. Волна разрушения в цепочке // ПМТФ. 1984. № 6. С. 128-134. (Исследовано влияние микроструктуры на макропараметры волны разрушения, распространяющейся в прямолинейной цепочке, где единичные массы соединены линейно-упругими безынерционными связями, жесткость которых уменьшается при достижении определенного уровня напряжений (σ*). Показано, что наличие микроструктуры вызывает разрушение раньше, чем это можно ожидать на основе континуального рассмотрения). (pdf)
- Ю.В. Петров, А.А. Груздков, Н.А. Казаринов. Особенности динамического разрушения одномерных линейных цепочек // Докл. Акад. Наук, 2008, т.423, №1. С.51-55. (Аналитически и численно показано, что в растянутой дискретной цепочке после снятия внешней нагрузки может произойти разрыв — эффект не имеющий аналога для соответствующей континуальной модели). Eng: Yu. V. Petrov, A. A. Gruzdkov, N. A. Kazarinov. Features of the dynamic fracture of one-dimensional linear chains. Doklady Physics. 01/2008; 53(11):595-599.
Другие вопросы
- Contribution to the Theory of Linear Chains. Oxford Journals. Progress of Theoretical Physics Supp. Volume 36, February 1966.
- А.С.Ковалев, О.В.Усатенко, О.А.Чубыкало. Устойчивость высокочастотных самолокализованных колебаний в упругих ангармонических цепочках. ФТТ, 1993, том 35, выпуск 03.
- Wierling, A. Dynamic structure factor of linear harmonic chain - A recurrence relation approach. European Physical Journal B. Volume 85, Issue 1, January 2012, Article number 20.
Книги, в которых рассматривается одномерный кристалл (цепочка)
- Борн М., Кунь Х. Теория кристаллических решеток. М.: ИЛ. 1959. 488 с.
- Косевич А.М. Основы механики кристаллической решетки. М.: Наука. 1972.
- Слепян Л.И. Нестационарные упругие волны. Л.: Судостроение, 1972, 376 с. (§2 Дискретная упругая система) (djvu)
- Кунин И.А. Теория упругих сред с микроструктурой. М.: Наука. 1975. 416 с.
- Косевич А.М. Теория кристаллической решетки. Харьков: Вища школа. 1988.
- Морозов Н.Ф., Паукшто М.В. Дискретные и гибридные модели механики разрушения. С.-Пб: изд. СПбГУ. 1995. 160 с. (§1 Теория одномерных моделей — "цепочек".)
- Рабинович М.И., Трубецков Д.И. Введение в теорию колебаний и волн. Регулярная и хаотическая динамика. 2000 г., 560 с. (Гл. 4: Колебания в упорядоченных структурах). Трубецков Д.И., Рожнев А.Г. Линейные колебания и волны. Учеб. пособие. М.: Физматлит, 2001. 416 с. (Гл. 8: Колебания в системе связанных осцилляторов. Гл. 9: Переход к одномерной сплошной среде в системе связанных осцилляторов).
- А.М. Кривцов. Деформирование и разрушение твердых тел с микроструктурой. М.: Физматлит, 2007. 304 с. (Гл. 16: Учет хаотической составляющей движения частиц).
Терминология
- — полное число частиц в кристалле.
- Nonequilibrium steady states — неравновесные стационарные состояния: состояния термодинамической системы, при котором присутствуют тепловые потоки, однако все термодинамические величины не зависят от времени.
- Thermal rectification — тепловое разделение (ректификация).
- Thermodynamic limit — термодинамический предел: предел при стремлении числа частиц к бесконечности ().
