Примеры самоорганизации различных

СИСТЕМ.

Рассмотрим в качестве иллюстрации некоторые примеры самоорганизации систем в физике, химии, биологии и социуме.

 

ФИЗИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ.

В принципе даже в термодинамическом равновесии можно указать примеры самоорганизации, как результаты коллективного поведения. Это, например, все фазовые переходы в физических системах, такие как переход жидкость - газ, ферромагнитный переход или возникновение сверхпроводимости. В неравновесном состоянии можно назвать примеры высокой организации в гидродинамике, в лазерах различных типов, в физике твердого тела - осциллятор Ганна, туннельные диоды, рост кристаллов.

В открытых системах, меняя поток вещества и энергии из вне, можно контролировать процессы и направлять эволюцию систем к состояниям, все более далеким от равновесия. В ходе неравновесных процессов при некотором критическом значении внешнего потока из неупорядоченных и хаотических состояний за счет потери их устойчивости могут возникать упорядоченные состояния, создаваться диссипативные структуры.

 

      2.3.1а. ЯЧЕЙКИ БЕНАРА.

Классическим примером возникновения структуры из полностью хаотической фазы являются конвективные ячейки Бенара. В 1900 году была опубликована статья Х.Бенара с фотографией структуры, по виду напоминавшей пчелиные соты (рис. 2.7).

 

Рис. 2.7.   Ячейки Бенара:

                   а) - общий вид структуры

                   б) - отдельная ячейка.

Эта структура образовалась в ртути, налитой в плоский широкий сосуд, подогреваемый снизу, после того как температурный градиент превысил некоторое критическое значение. Весь слой ртути (или другой вязкой жидкости) распадался на одинаковые вертикальные шестигранные призмы с определенным соотношением между стороной и высотой (ячейки Бенара). В центральной области призмы жидкость поднимается, а вблизи вертикальных граней - опускается. Возникает разность температур Т между нижней и верхней поверхностью DТ = Т₂ - Т₁ > 0.Для малых до критических разностей DТ < DТ_kp жидкость остается в покое, тепло снизу вверх передается путем теплопроводности. При достижении температуры подогрева критического значения Т₂ = Т_kp (соответственно DТ = DТ_kp) начинается конвекция. При достижении критического значения параметра Т, рождается, таким образом, пространственная диссипативная структура. При равновесии температуры равны Т₂ =Т₁, DТ = 0. При кратковременном подогреве (подводе тепла) нижней плоскости, то есть при кратковременном внешнем возмущении температура быстро станет однородной и равной ее первоначальному значению. Возмущение затухает, а состояние - асимптотически устойчиво. При длительном, но до критическом подогреве (DТ < DТ_kp) в системе снова установится простое и единственное состояние, в котором происходит перенос к верхней поверхности и передачи его во внешнюю среду (теплопроводность), рис. 2.8, участок а. Отличие этого состояния от равновесного состояния состоит в том, что температура, плотность, давление станут неоднородными. Они будут приблизительно линейно изменяться от теплой области к холодной.

  Рис. 2.8. Поток тепла в тонком слое жидкости.

Увеличение разности температур DТ, то есть дальнейшее отклонение системы от равновесия, приводит к тому, что состояние неподвижной теплопроводящей жидкости становится неустойчивым участок б на рисунке 2.8. Это состояние сменяется устойчивым состоянием (участок в на рис. 2.8), характеризующимся образованием ячеек. При больших разностях температур покоящаяся жидкость не обеспечивает большой перенос тепла, жидкость ²вынуждена² двигаться, причем кооперативным коллективным согласованном образом.

Далее этот вопрос рассматривается в 3 главе.

 

 

        2.3.1в. ЛАЗЕР, КАК САМООРГАНИЗУЮЩАЯСЯ

                     СИСТЕМА.

Итак, в качестве примера физической системы, упорядоченность которой есть следствие внешнего воздействия, рассмотрим лазер.

При самом грубом описании лазер - это некая стеклянная трубка, в которую поступает свет от некогерентного источника (обычной лампы), а выходит из нее узконаправленный когерентный световой пучок, при этом выделяется некоторое количества тепла.

При малой мощности накачки эти электромагнитные волны, которые испускает лазер, некоррелированные, и излучение подобно излучению обычной лампы. Такое некогерентное излучение - это шум, хаос. При повышении внешнего воздействия в виде накачки до порогового критического значения некогерентный шум преобразуется в ²чистый тон², то есть испускает число синусоидальная волна - отдельные атомы ведут себя строго коррелированным образом, самоорганизуются.

                       Лампа ® Лазер

                         Хаос ® Порядок

                         Шум ® Когерентное излучение

В сверхкритической области режим ²обычной лампы² оказывается не стабильным, а лазерный режим стабильным, рисунок 2.9.

 

Рис. 2.9. Излучение лазера в до критической (а) и

                    сверхкритической (б) области.

Видно, что образование структуры в жидкости и в лазере формально описывается весьма сходным образом. Аналогия связана с наличием тех же самых типов бифуркаций в соответствующих динамических уровнях.

Подробнее этот вопрос рассмотрим в практической части, в 3 главе.

  ХИМИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ.

В этой области синергетика сосредотачивает свое внимание на тех явлениях, которые сопровождаются образованием макроскопических структур. Обычно если дать реагентам про взаимодействовать, интенсивно перемешивая реакционную смесь, то конечный продукт получается однородный. Но в некоторых реакциях могут возникать временные, пространственные или смешанные (пространственные - временные) структуры. Наиболее известным примером может служить реакция Белоусова - Жаботинского.

 

Предыдущая1234567Следующая

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: