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Uma grande classe de problemas em física estatística de não-equilíbrio lida com a dinâmica dirigida de interfaces elásticas em meios aleatórios. Exemplos incluem propagação de frentes de trincas em sólidos desordenados, movimento de paredes de domínio impulsionado por campos magnéticos aplicados em ferromagnetos desordenados e dinâmica de frentes de fluido invadindo um meio poroso, por exemplo, quando o café derramado na mesa é absorvido pela toalha de mesa.
Uma característica chave de tais interfaces é sua morfologia áspera, originada da interação entre desordem resfriada devido a várias imperfeições no material, elasticidade da interface e uma força motriz externa.
Tradicionalmente, a rugosidade de interfaces elásticas em meios aleatórios tem sido caracterizada por um único número, o chamado expoente de rugosidade, parametrizando o comportamento de escala fractal auto-afim da interface. De acordo com Lasse Laurson, professor de física computacional e líder desta pesquisa, essa simples descrição agora se mostrou incompleta.
“É preciso considerar também o fato de que a força motriz externa está empurrando a interface em uma direção específica, quebrando assim a simetria entre os segmentos da interface que foram deslocados mais ou menos do que o deslocamento médio”, diz Laurson.
Usando dados de simulações de uma ampla classe de diferentes sistemas de modelos de interfaces elásticas em meios aleatórios, os pesquisadores descobriram que essa simetria quebrada se manifesta em várias propriedades de rugosidade da interface.
“Primeiro, descobrimos que a distribuição dos deslocamentos da interface local exibe assimetria diferente de zero, que atribuímos aos segmentos de interface fortemente fixados que ficam atrás do resto da interface”, diz Esko Toivonen, assistente de pesquisa que realizou a maioria das simulações numéricas e análise de dados do estudo.
A análise de séries temporais revela propriedades de dimensionamento
Depois disso, os pesquisadores passaram a estudar as propriedades de escala dos segmentos de interface em várias escalas, considerando separadamente os segmentos de interface que estavam atrasados ou avançando em relação ao deslocamento médio da interface. Para isso, eles empregaram ferramentas de análise de séries temporais baseadas em extensões do método de análise de flutuação destrendida (DFA), desenvolvido anteriormente no grupo liderado por Esa Räsänen, professora de física computacional que participou do estudo. Os pesquisadores descobriram que o valor do expoente de escala que caracteriza a rugosidade da interface depende se se está olhando para segmentos de interface atrasados ou avançando em relação ao deslocamento médio da interface.
“É interessante que a simetria quebrada devido à força externa seja visível também nos valores dos expoentes de escala, uma vez que essa observação desafia o ponto de vista predominante de que a rugosidade da interface pode ser caracterizada por um único expoente de rugosidade. precisa considerar todo o espectro de expoentes de escala local”, diz Laurson.
As extensões do método DFA usadas na pesquisa foram originalmente desenvolvidas para estudar fenômenos como correlações dinâmicas de batimentos cardíacos por Matti Molkkari, pesquisador de doutorado e participante do estudo. Molkkari também trabalha no grupo de Esa Räsänen.
“Foi um exercício interessante aplicar as ferramentas desenvolvidas em um contexto diferente”, diz Molkkari.
“As ferramentas de análise de séries temporais que usamos neste novo contexto podem ter um impacto significativo nos estudos de interfaces brutas. Isso nos motiva a desenvolver ainda mais nossos métodos”, acrescenta Räsänen.
Fonte da história:
Materiais fornecidos por Universidade de Tampere. Nota: O conteúdo pode ser editado para estilo e duração.
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