Oscilações Acopladas/Problema de Fermi-Pasta-Ulam-Tsingou

De Física Computacional
Edição feita às 16h45min de 4 de maio de 2022 por Wallec (Discussão | contribs)

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Grupo: Paula Pandolfo, Ramiro de Souza, Samuel Dieterich e Wallace Carvalho

Objetivo: Este trabalho tem dois objetivos principais: apresentar alguns resultados analíticos de osciladores lineares acoplados, comparando esses resultados com simulações computacionais; e implementar o modelo de osciladores acoplados com a adição de um termo quadrático, conforme inicialmente apresentado pelo artigo original do problema de Fermi-Pasta-Ulam-Tsingou (FPUT), analisando os resultados. Apresentaremos algumas simulações dos casos bidimensionais, mas as análises de resultados serão restritas aos casos unidimensionais, por simplicidade.

Introdução

Os osciladores talvez sejam os sistemas mais estudados em toda a Física, sendo capazes de modelar uma ampla gama de fenômenos, como, p. ex., pêndulos, circuitos eletrônicos e interações moleculares. O comportamento linear desse tipo de sistema, em particular, possui resultados analíticos bem conhecidos, facilitando o tratamento matemático de sistemas complexos que possam ser modelados por conjuntos de osciladores.

O problema de FPUT (Enrico Fermi, John R. Pasta, Stanislaw M. Ulam, Mary Tsingou) resulta da análise computacional de um sistema de partículas que apenas interagem com seus vizinhos, com interações modeladas por oscilações acopladas com a adição de um termo não-linear, que pode ser quadrático ou cúbico. O intuito original da simulação era estudar como tal sistema evolui para o equilíbrio térmico. Se as forças envolvidas forem estritamente lineares, a energia alocada em cada modo de vibração não se distribui entre os demais modos, e o sistema nunca atinge o equilíbrio térmico. Adicionando termos não lineares, supunha-se que, pelo Teorema da Equipartição da Energia, a energia total do sistema seria distribuída uniformemente entre os modos normais de vibração após um certo tempo, resultando no equilíbrio térmico do sistema. Entretanto, isso não foi observado nas simulações computacionais.

O caso foi estudado pela primeira vez em Los Alamos, nos Estados Unidos, e implementado no computador MANIAC I (Mathematical Analyzer Numerical Integrator and Automatic Computer Model I). Além dos três participantes coautores do artigo [1], que relataram o caso em 1955, Mary Tsingou implementou o código e resolveu numericamente o sistema. Atualmente, por essa razão, o paradoxo é denominado pela sigla FPUT (Fermi-Pasta-Ulam-Tsingou).[2]

A abordagem adotada no presente trabalho é a seguinte: inicialmente, serão apresentados alguns resultados teóricos bem conhecidos de osciladores lineares acoplados. Em seguida, compararemos esses resultados com simulações computacionais, a fim de exemplificar visualmente seu significado. Após apresentar as fundações teóricas desses casos mais simples em que as forças são lineares, trataremos do problema de FPUT em si, examinando a situação em que a interação não-linear se dá através de um termo quadrático nas coordenadas generalizadas utilizadas. Tal tratamento tem de ser majoritariamente computacional, já que as equações diferenciais envolvidas não são, em geral, fáceis de se resolver analiticamente.

Osciladores Lineares Acoplados

Um modelo geral de sistema unidimensional de osciladores lineares acoplados é ilustrado pela Figura 1.

  • Figura 1. Ilustração de um modelo geral unidimensional de oscilações acopladas. A figura foi criada por Paula Pandolfo, uma das integrantes do grupo.
  • Cada partícula possui duas vizinhas com as quais interage por meio das molas, exceto as partículas localizadas nos extremos da cadeia, que possuem apenas uma partícula vizinha cada. As interações das partículas dos extremos das cadeias se restringem, portanto, à interação com uma vizinha e com uma mola conectada a uma das paredes externas à cadeia. Como este problema é unidimensional, a posição de cada partícula pode ser descrita por apenas um grau de liberdade. Vamos escolher os deslocamentos em relação à respectiva posição de equilíbrio da partícula como nossas coordenadas generalizadas, definindo como positivos os deslocamentos para a direita e negativos para a esquerda. No total, um sistema com partículas terá, portanto, graus de liberdade. Vamos tratar aqui o caso em que as forças das molas são lineares, seguindo a lei de Hooke; i.e., forças dadas pela forma . Além disso, para simplificar e minimizar o número de parâmetros das simulações, vamos considerar que, em todos os casos mostrados, todas as molas possuem as mesmas constantes de acoplamento linear e todas as partículas possuem as mesmas massas .

    N=2

    Nota: O conteúdo abaixo segue aproximadamente a seção 12.2 de Marion e Thornton (2004).[3] Entretanto, há diversas modificações e inclusões. Por exemplo, na descrição das equações de movimento e nas definições dos modos normais.

    Para nos familiarizarmos com este sistema, consideremos inicialmente o caso do oscilador linear acoplado mais simples, com apenas duas partículas (), cada uma com massa , e três molas com os mesmos valores de constantes, .

    Utilizando a segunda lei de Newton, mostra-se que as equações de movimento do sistema são:

    Uma forma direta de se montar as equações de movimento de um sistema acoplado é pensar em termos dos deslocamentos em relação às posições de equilíbrio (, com , no sistema considerado aqui). Por exemplo, na primeira das equações acima, a partícula 1 está sujeita à força elástica da mola conectada à parede (termo ) e à força da mola conectada à partícula 2 (termo ). Esse último termo é definido conforme o seguinte: caso a mola que está conectada às partículas 1 e 2 esteja comprimida, deve ser maior que e a partícula 1 estará sofrendo uma força que é contrária à compressão, ou seja, com sinal negativo. De modo semelhante para a partícula 2, mas nesse caso, devido à posição ocupada pela partícula 2 na cadeia, com maior que , o sentido da força contrária à compressão tem sinal positivo, manifestando a terceira lei de Newton.

    Uma dificuldade imposta pelo sistema (1) é o fato das equações serem acopladas, que a aceleração da partícula 1 depende da posição da partícula 2, e vice-versa. Vamos supor que esse sistema de equações tenha soluções na seguinte forma:

    onde e são constantes e é uma frequência angular ainda indeterminada. Essa suposição é fisicamente justificável: sabemos que as soluções são oscilatórias, e exponenciais imaginárias podem ser escritas em termos de senos e cossenos pela fórmula de Euler. Se substituirmos as expressões em (2) na equação (1) e rearranjarmos os termos, obteremos:

    Ou, eliminando as exponenciais e reagrupando termos:

    O sistema de equações (3) apenas terá soluções não triviais se o determinante da matriz dos coeficientes que acompanham os for igual a zero, i.e.:

    O resultado desse determinante ser igual a zero é uma equação quadrática simples em , sendo as soluções facilmente obtidas. Como para cada solução existe uma solução , apresentaremos apenas o módulo das frequências:

    e são então denominadas as frequências características ou autofrequências do sistema. As soluções mais gerais do sistema de equações diferenciais lineares (1) vão ser então combinações lineares das soluções (2) com as frequências dadas por (4):

    Nota-se que cada uma das soluções é uma superposição (em geral) complicada que envolve as duas autofrequências. Isso é uma consequência direta do acoplamento presente no sistema (1). Para eliminar este acoplamento, vamos definir novas variáveis: e , ou

    Substituindo essas expressões no sistema de equações (1), ficamos com:

    Se somarmos as duas equações acima, e se subtrairmos a segunda da primeira, obtemos, respectivamente:

    Reconhecemos imediatamente as equações acima como equações de osciladores harmônicos simples, desacopladas e, portanto, com soluções independentes. As soluções são dadas por

    e são chamadas de coordenadas normais. Por definição, são coordenadas que desacoplam as equações diferenciais do sistema e possuem soluções com frequências únicas, bem definidas. Sempre podem ser escritas como algum tipo de combinação linear das coordenadas originais. De modo semelhante, as coordenadas usuais do sistema sempre podem ser escritas como combinações lineares das coordenadas normais. No caso geral, para mais partículas, a combinação linear dos deslocamentos que produz as coordenadas normais é trabalhosa de se encontrar. Note-se que, no caso de duas partículas, é simples encontrá-las meramente por inspeção. Se impusermos as condições iniciais e , e as constantes e vão ser iguais a zero, o que implica , para todo . Esse primeiro modo normal corresponderá a uma oscilação simétrica, em que as duas partículas oscilarão em fase, com frequência . De modo semelhante, se impusermos as condições iniciais e , , para todo , e as partículas oscilarão fora de fase, com frequência . Pelas expressões dadas em (4) e pelas simulações abaixo, destaca-se que a frequência associada ao modo simétrico é menor do que a frequência do modo antissimétrico. Esse é um resultado geral de oscilações acopladas: quanto maior o grau de simetria da oscilação, menor o valor da frequência.[3]

    Alguns resultados das simulações para os modos desse caso podem ser observados na Figura 2 e na Figura 3. Fica evidente a menor frequência do modo simétrico em relação ao modo antissimétrico. Além disso, podemos observar a concordância com os valores teóricos encontrados para as frequências: e . O modo simétrico consiste em uma oscilação em que as partículas estão em fase; no modo antissimétrico, as partículas oscilam fora de fase.

    A concordância das frequências com os valores teóricos calculados pode ser vista na Figura 4 e na Figura 5. Podemos observar a concordância com os valores teóricos encontrados para as frequências: e .

    N=3

    Seguindo a mesma lógica apresentada para partículas, podemos montar as equações de movimento do sistema com partículas. A única diferença é que a partícula central apenas está conectada a partículas vizinhas, não estando conectada a paredes externas:

    Novamente, supomos soluções do tipo

    Substituindo (8) em (7) e seguindo os mesmos passos feitos para partículas, obteremos o sistema linear para os :

    O sistema de equações acima apenas terá soluções não triviais se o determinante dos coeficientes dos for igual a zero. Portanto:

    A equação resultante é . Simples de ser resolvida analiticamente por fatoração, esta equação tem as soluções de módulo:

    Note-se que aqui já não é mais tão simples identificar as coordenadas normais. Além disso, embora tenha sido simples até aqui obter as autofrequências, o processo é tedioso e a equação característica se torna cada vez mais difícl de se resolver analiticamente.

    Podemos escrever as soluções da seguinte forma, de modo semelhante a como fizemos para :

    Alguns resultados das simulações para os modos desse caso podem ser observados na Figura 6, na Figura 7 e na Figura 8. Nota-se, mais uma vez, que a menor frequência em relação aos demais modos é aquela associada ao modo simétrico. O modo simétrico consiste em uma oscilação em que todas as partículas estão em fase; no modo antissimétrico, as partículas 1 e 3 oscilam fora de fase, a 2 permanece parada. A novidade em relação ao caso de é o surgimento de um novo modo, o modo 3, em que as partículas 1 e 3 oscilam em fase, e a partícula 2 oscila fora de fase em relação às partículas 1 e 3.

    A concordância das frequências com os valores teóricos calculados pode ser vista na Figura 9, na Figura 10 e na Figura 11. Podemos observar a concordância com os valores teóricos encontrados para as frequências: , e .

    Caso geral

    O formalismo lagrangeano fornece uma técnica poderosa para construir as equações de movimento para o caso geral de partículas, bem como para facilitar o cálculo das coordenadas normais e das autofrequências.[3] No entanto, no presente trabalho, não utilizaremos o formalismo lagrangeano, montando as equações pelos argumentos já mostrados até agora, que envolvem a segunda lei de Newton. Para expressar as soluções gerais, utilizaremos o método de análise de Fourier, poupando-nos de grande parte da álgebra caso-a-caso envolvida em encontrar as autofrequências.

    Não é difícil perceber que a segunda equação do sistema (7) tem a forma típica de uma equação de movimento para um oscilador interno (não adjacente às paredes). Desse modo, somando as forças atuantes pela segunda lei de Newton, a generalização das equações para o caso será:

    O conjunto de equações (11) vai ser importante para a implementação numérica.

    As soluções (5) e (10) apresentam um padrão. Se tomarmos apenas as partes reais das soluções, podemos redefinir as constantes duas a duas e escrever a solução geral como:

    As constantes são chamadas de amplitudes dos modos normais e indicam o quanto de cada modo normal, de frequência bem definida, está presente na solução de cada . É possível mostrar (o que não faremos aqui por razões de tempo e espaço, mas pode ser consultado nas referências [4]) que, usando condições de contorno , as soluções podem ser reescritas como

    É comum na literatura[5] redefinir a constante da seguinte forma:

    A qualquer instante de tempo, os deslocamentos das partículas em relação às posições de equilíbrio podem ser escritos como uma soma de modos normais. Esses modos normais são ondas estacionárias. Ver, por exemplo, a Figura 12, com os cinco primeiros modos.

  • Figura 12. Cinco primeiros modos de oscilação para um oscilador acoplado com N=32 partículas. Os gráficos correspondem à equação (12), no tempo , com .
  • É possível, portanto, por uma transformada inversa, escrever

    As energias de cada modo podem ser escritas como (com representando a amplitude da velocidade do modo):

    Através de uma demonstração que pode ser encontrada nas referências[4], as autofrequências podem ser escritas como:

    O argumento do seno sempre se encontra no primeiro quadrante, pois é positivo e é tal que:

    Nota-se, portanto, que as frequências dos modos são sempre menores do que duas vezes a frequência natural (). Todas as expressões mostradas nesta seção são válidas mesmo para o caso de oscilações acopladas não lineares, como é o caso do FPUT.[5]

    Podemos comparar, por exemplo, os valores que encontramos para as autofrequências nos casos e com os resultados da equação (15). Seja, por exemplo, . Para , pelas expressões (4), e , que são os mesmos resultados fornecidos pela equação (15). De modo semelhante, para , pelas expressões (9), , e , que também são os mesmos resultados fornecidos pela equação (15).

    Adição de Termos Não-Lineares: Problema de FPUT

    Como já discutido, se as forças em um sistema de osciladores acoplados forem todas da forma da lei de Hooke, o sistema jamais alcançará o equilíbrio térmico, pois os modos têm independência linear entre si. Para fazer isso, temos de acrescentar termos não-lineares de interação. Vamos tratar aqui o primeiro caso estudado no artigo original,[1] em que os termos não-lineares são quadráticos nas coordenadas .

    Para os osciladores internos, teremos então a seguinte equação de movimento:

    Nessa equação, a constante faz o papel da constante das molas apresentada anteriormente para o caso puramente linear, enquanto informa a intensidade da força não-linear. É importante ressaltar que nem todos os autores definem os termos quadráticos dessa forma. Atualmente é mais comum ver esses termos definidos como faz, por exemplo, Lucero et al., 2021[4], que usa o sinal positivo entre os termos quadráticos, no interior dos colchetes. Podemos isolar a aceleração nesta equação; vamos escolher e definir . A equação fica então:

    Esperava-se teoricamente que, pelo Teorema de Equipartição da Energia, o comportamento desse sistema seria a termalização. Isso significa que, diferentemente dos sistemas lineares, em que, iniciado em um modo, o sistema permanece naquele modo para todo tempo (como podemos perceber nas simulações apresentadas em seguida, para diversos modos com ), o sistema tenderia a se tornar uma mistura complicada de todos os modos a partir de um determinado tempo, e permanecer nesse estado (lembrar que o número de modos depende da quantidade de partículas, , portanto, no caso , seria esperado que o sistema se tornasse uma mistura de todos os 32 modos após um certo tempo). Uma análise normalmente é feita por meio de gráficos da distribuição de energia entre os modos. A Figura 13, retirada de nossa simulação para do FPUT quadrático unidimensional, ilustra o comportamento do sistema:

  • Figura 13. Esse gráfico corresponde às energias alocadas por modo de vibração em um sistema unidimensional com N=32 partículas do FPUT quadrático, conforme calculado a partir de nossas simulações (ver uma explicação sobre como o gráfico foi feito na seção sobre implementação numérica). Percebe-se claramente o comportamento discutido no parágrafo acima. O sistema inicia no primeiro modo, depois de um tempo passa a uma mistura dos cinco primeiros modos, e por volta de t=14000 retorna quase inteiramente ao primeiro modo de vibração. Ou seja, não houve termalização: a energia não foi distribuída entre os demais modos.
  • Quando o sistema é linear, a energia total do sistema se reduz a uma soma das energias de cada modo. Essas energias são integrais do movimento, o que leva a . Quando há termos não lineares, as energias dos modos normais não são mais integrais do movimento e o Teorema da Equipartição da Energia da mecânica estatística sugere que as médias temporais das energias de cada modo, , deveriam tender a um mesmo valor; ou seja, que a energia deveria se distribuir igualmente entre os modos.[4]

    O paradoxo ou problema de FPUT consiste justamente no comportamento de recorrência do sistema e da não termalização.[1][4] Como pode ser observado nas simulações, após um determinado tempo, o sistema volta a uma configuração de modos semelhante à inicial (no nosso caso, o primeiro modo). Note-se que o tempo de recorrência das simulações apresentadas é distinto do tempo de recorrência encontrado na Figura 13. Isso está ocorrendo porque o gráfico foi gerado a partir do nosso programa em Python, com . As simulações mostradas são do nosso programa em C, em que duas das trinta e duas partículas estão presas às paredes. Na prática, a simulação rodada no programa em C é de partículas. Por limitações técnicas (as imagens das simulações em Python para N=32 geram arquivos de tamanhos muito grandes, e a wiki apenas permite arquivos de, no máximo, 2mb) ainda não conseguimos mostrar as simulações feitas em Python para esse sistema, mas o código pode ser encontrado na seção dos programas.

    Implementação numérica

    Sistemas de equações

    Vamos explicar nesta seção algumas das características principais dos programas e simulações apresentados neste trabalho.

    A implementação dos sistemas de equações dos osciladores lineares é direta e se segue imediatamente da eq. (11), que vamos reproduzir aqui para facilitar a visualização, mas já fazendo :

    A diferença entre esse sistema de equações e o sistema de equações do FPUT quadrático é apenas a inclusão de um termo quadrático. A implementação é trivial após já ter sido implementado o sistema de osciladores lineares. As equações para o FPUT quadrático também já foram mostradas na seção anterior:

    Esse sistema de equações foi implementado em ambos os códigos disponíveis nesta wiki. No caso do programa em Python, está dentro na função acel_quad(), que é chamada pela função velocity_verlet() para integrar as equações do movimento.

    Gráfico das energias do FPUT quadrático

    A ideia inicial para construir esse gráfico era usar a ideia sugerida por Lucero et al., 2021[4] e calcular as amplitudes dos modos por FFT (Fast Fourier Transform). Entretanto, tivemos dificuldades para implementar essa solução. Encontramos uma ótima solução alternativa na wiki de trabalho anterior sobre o FPUT.

    A ideia consiste no seguinte. Dada as equações (14) e (15), que reproduziremos novamente aqui por clareza:

    Podemos calcular a energia diretamente dessas expressões. Basta notar que, seja um vetor dos modos , definido da seguinte forma:

    e um vetor das posições das partículas do sistema, definido da seguinte forma:

    As amplitudes dos modos , em cada tempo, vão ser dadas pelas projeções das posições nos vetores dos modos , i.e.,

    Método de integração

    O método velocity Verlet também é implementado em ambos os programas. Esse método consiste nas seguintes equações:

    Aqui, é a equação de movimento do sistema. É importante a ordem das equações: devem ser implementadas na ordem acima. Note-se que é necessário guardar o valor anterior da aceleração a cada iteração. Esse método foi implementado para possibilitar a obtenção das velocidades, que são importantes na análise das energias por modo do FPUT. O Verlet seria mais preciso mas não forneceria as velocidades. Como lado negativo, o velocity Verlet tem como característica não conservar plenamente a energia do sistema, que apresenta uma pequena oscilação. Entretanto, para os fins propostos aqui, o método mostrou bons resultados.

    Condições iniciais

    O programa em C possui como condição inicial apenas posicionar as partículas de modo a garantir que o sistema inicia no primeiro modo. Esse programa implementa o FPUT quadrático com deslocamento vertical, como visto nessa simulação. Note-se que, da equação (12), em :

    Se queremos iniciar o sistema no primeiro modo, basta fazer na equação acima. De fato, podemos iniciar o sistema em qualquer modo fazendo nessa mesma equação.

    O programa em Python possui vários tipos diferentes de condições iniciais, porque esse programa implementa osciladores lineares acoplados e fput quadrático unidimensionais e bidimensionais tanto em deslocamentos horizontais quanto em deslocamentos verticais da posição de equilíbrio.

    Foi criada uma função modo_de_osc() que faz essa inicialização em qualquer modo. Essa função é chamada pelas funções condicao_inicial_1d() e condicao_inicial_1d_vertical().

    Nos osciladores lineares unidimensionais é usada a função condicao_inicial_1d() que inicializa apenas sistemas unidimensionais com deslocamentos horizontais da posição de equilíbrio.

    A função condicao_inicial_1d_vertical() é usada para inicializar o sistema com deslocamentos verticais das posições de equilíbrio. Em específico, usamos apenas para simular o mesmo sistema do programa em C, mas poderia ser usada para qualquer oscilador linear unidimensional também.

    A função condicao_inicial_2d() foi usada para a simulação bidimensional. Essa função apenas inicializa o sistema com pequenos deslocamentos randômicos das posições de equilíbrio.

    Simulações

    Osciladores Lineares Acoplados

    N=2

    N=3

    N=4

    Embora não tenhamos feito análises para os casos de N=4 e N=5 partículas, abaixo seguem simulações dos modos desses osciladores acoplados lineares unidimensionais. Observa-se o mesmo padrão de aumento da frequência com o número do modo. O modo simétrico sempre apresenta menor frequência.

    N=5

    Bidimensional N=49 (Em um grid 7x7)

    Também implementamos uma simulação bidimensional de massas acopladas com as partículas vizinhas de cima, de baixo e dos lados. As partículas das fronteiras estão conectadas às paredes (em cima, embaixo e dos lados). A generalização do caso unidimensional é direta e foi razoavelmente simples de se implementar, uma vez estabelecida a condição inicial (colocar as partículas nas posições de equilíbrio, espaçadas igualmente em um grid, e deslocar randomicamente cada uma de sua posição de equilíbrio por um valor bem pequeno). A simulação mostra um comportamento que pode ser associado à dinâmica molecular.

    FPUT quadrático

    Abaixo segue uma simulação em que as partículas são deslocadas das posições de equilíbrio verticalmente. Esse modelo é muito interessante para visualizar as oscilações das partículas (uma vez que o número de partículas é maior, é mais difícil perceber os padrões de modos nos deslocamentos horizontais). Também é muito útil para visualizar a propriedade de recorrência ao primeiro modo desse sistema não linear, embora não seja um modelo muito físico, porque as partículas oscilam apenas na vertical, acopladas às partículas vizinhas (é como se houvessem molas que conectam cada partícula verticalmente a suas vizinhas, mas sem molas na horizontal). Não há deslocamento na horizontal, e a simulação é na verdade uma simulação unidimensional. Atentar que nessas simulações há apenas 30 partículas oscilando de fato. Duas estão presas nas paredes.

    Parâmetros da simulação com deslocamento vertical: .


    Programas

    Referências

    1. 1,0 1,1 1,2 Fermi, E.; Pasta, J.; Ulam, S. (1955). "Studies of Nonlinear Problems" (PDF). Document LA-1940. Los Alamos National Laboratory. [Acessado 02 Maio 2022]. [1]
    2. Grant, V. "We Thank Miss Mary Tsingou", National Security Science. Winter 2020: pp. 36-43. [Acessado 02 Maio 2022]. [2]
    3. 3,0 3,1 3,2 Marion e Thornton, pp. 469-473
    4. 4,0 4,1 4,2 4,3 4,4 4,5 Lucero, Davi de Mello e Pinheiro Moreira, Pedro Augusto Franco. "O problema Fermi-Pasta-Ulam-Tsingou: Equiparticão de energia vista através de simulações computacionais". Revista Brasileira de Ensino de Física [online]. 2021, v. 43 [Acessado 1 Maio 2022]. [3]
    5. 5,0 5,1 Giordano e Nakanishi, pp. 296-297

    Bibliografia principal

    • Marion, J.B., Thornton, S.T. "Classical Dynamics of Particles and Systems". Thomson Learning, Belmont, 2004.
    • Giordano, N.J., Nakanishi, H. "Computational Physics". 2nd Edition. Prentice Hall, Upper Saddle River, 2006.