ВУЗ:
Составители:
71
Глава 3. Самоорганизация в инженерных и природных системах
В третьей главе приведены примеры самоорганизации в открытых
диссипативных системах. Вначале рассмотрим пример самоорганизации в
открытых термодинамических системах. Такой выбор продиктован, во-
первых, тем, что это были исторически первые эксперименты, в которых
наблюдалась и получила теоретическое объяснение самоорганизация, а во-
вторых, относительной простотой этих экспериментов. Затем рассмотрим
более сложные примеры самоорганизации.
3.1. Конвективная неустойчивость
3.1.1. Ячейки Бенара и их разновидности
В 1900 году Х. Бенар поставил простой эксперимент, который привел к
открытию ряда интересных свойств открытых систем. Наблюдаемые в
различных вариантах этого эксперимента структуры, названные позже
ячейками Бенара, стали классическим примером самоорганизации.
В первых экспериментах Бенар использовал тонкий слой китового
спермацетового масла, но позже выяснилось, что для данного
эксперимента подходят и другие вязкие жидкости (чаще других
используют силиконовое масло). Вязкая жидкость наливалась тонким
слоем в сосуд круглой или прямоугольной формы. При этом латеральные
размеры сосуда намного превышали толщину слоя масла.
В начале эксперимента жидкость находится в состоянии
термодинамического равновесия. Затем нижний слой жидкости равномерно
нагревают, а ее верхняя поверхность поддерживается при постоянной
температуре Т
1
, которая ниже, чем температура нагревателя Т
2
. Через
некоторое время устанавливается разность температур между верхней и
нижней поверхностями жидкости ∆Т=Т
2
–Т
1
(градиент температуры), в
результате чего возникает поток тепла снизу вверх. Если градиент
температуры мал, то перенос тепла осуществляется на микроскопическом
уровне: в результате столкновения «быстрых молекул» с «медленными
молекулами» осуществляется передача тепла от нижних слоев к верхним без
макроскопического движения жидкости. Это известное явление теплопро-
водности. Под «микроскопическим движением» имеется в виду, что
молекулы участвуют только в тепловом движении, и никаких направленных
потоков жидкости нет.
Возрастая, градиент температуры достигает значения, которое называют
критическим (∆T
с
), и тогда скачком устанавливается макроскопическое
движение жидкости – возникают упорядоченные потоки, ведущие к
образованию четкой структуры: на одних участках нагретая жидкость
Страницы
- « первая
- ‹ предыдущая
- …
- 71
- 72
- 73
- 74
- 75
- …
- следующая ›
- последняя »
