Диссипативные структуры


Диссипативные структуры

Диссипативная структура – одно из основных понятий теории структур И. Пригожина. Система в целом может быть неравновесной, но уже определенным образом несколько упорядоченной, организованной. Такие системы И. Пригожин назвал диссипативными структурами (от лат. dissipation – разгонять, рассеивать свободную энергию), в которых при значительных отклонениях от равновесия возникают упорядоченные состояния. В процессе образования этих структур энтропия возрастает, изменяются и другие термодинамические функции системы. Это свидетельствует о сохранении в целом ее хаотичности. Диссипация как процесс рассеяния энергии играет важную роль в образовании структур в открытых системах. В большинстве случаев диссипация реализуется в виде перехода избыточной энергии в тепло. Образование новых типов структур указывает на переход от хаоса и беспорядка к организации и порядку. Эти диссипативные динамические микроструктуры являются прообразами будущих состояний системы, так называемых фракталов (от лат. fractus – дробный, изрезанный). Большинство фракталов либо разрушается, полностью так и не сформировавшись (если они оказываются невыгодными с точки зрения фундаментальных законов природы), либо иногда остаются как отдельные архаичные остатки прошлого (например, древние обычаи народов, древние слова и т. д.). В точке бифуркации (точке ветвления) идет своеобразный естественный отбор фрактальных образований. «Выживает» образование, оказавшееся наиболее приспособленным к условиям окружающей среды.

При благоприятных условиях новая структура (фрактал) «разрастается» и преобразуется постепенно в новую макроструктуру – аттрактор. При этом система переходит в новое качественное состояние. В этом новом состоянии система продолжает свое наступательное движение до следующей точки бифуркации, то есть до следующего неравновесного фазового перехода.

В целом диссипация как процесс рассеивания энергии, затухания движения и информации играет весьма конструктивную роль в образовании новых структур в открытых системах. Для диссипативной системы невозможно предсказать конкретный путь развития, поскольку трудно предугадать начальные реальные условия ее состояния.

Теория бифуркаций

Открытая нелинейная самоорганизующаяся система всегда подвержена колебаниям. Именно в колебаниях система развивается и движется к относительно устойчивым структурам. Этому способствует постоянный обмен системы энергией и веществом с окружающей средой.

Аномальные изменения в среде могут вывести систему из состояния динамического равновесия, и она станет неравновесной. Например, усиливающийся приток энергии в систему вызывает флуктуации и делает ее неравновесной и нерегулируемой. Организация системы все более расшатывается, изменяются свойства системы.

Если параметры системы достигают определенных критических значений, то система переходит в состояние хаоса.

Состояние максимальной хаотичности неравновесного процесса называют точкой бифуркации. Точки бифуркации – это точки равновесия как устойчивого, так и неустойчивого точки «выбора» дальнейшего пути развития системы.

Для синергетики важны неустойчивые состояния. Появление неустойчивых состояний создает потенциальную возможность системе перейти в новое качественное состояние. Оно будет характеризоваться новыми параметрами системы и новым режимом ее функционирования.

В состояниях выбора пути, то есть в точках бифуркаций большое значение имеют случайные флуктуации (колебания). От них зависит, по какому пути из множества возможных система будет выходить из состояния неустойчивости. Многие флуктуации рассеиваются, некоторые не оказывают влияния на дальнейший путь развития системы как очень слабые. Но при определенных, пороговых условиях за счет случайных внешних воздействий эти флуктуации могут усиливаться и действовать в резонанс, подталкивая систему к выбору определенного пути развития (определенной траектории).

В точках бифуркации самоорганизующаяся система, стоя перед выбором путей развития, образует множество диссипативных динамических микроструктур, как бы «эмбрионов» будущих состояний системы – фракталов. Набор таких состояний в точках бифуркаций перед выбором дальнейшего пути и образует детерминированный, или динамический, хаос. Однако большинство этих будущих прообразов системы – фрактальных образований гибнет в конкурентной борьбе. В результате выживает та микроструктура, которая является наиболее приспособленной к внешним условиям. Весь этот процесс носит случайный и неопределенный характер. Выжившая в конкурентной борьбе фрактальных образований формирующаяся макроструктура получила название аттрактора (см. выше). В результате этого система переходит в новое качественно более высокое организационное состояние. Направление движения этого аттрактора начинает подчиняться необходимости. Система теперь ведет себя как жестко детерминированная.

Таким образом, аттрактор представляет собой отрезок эволюционного пути от точки бифуркации до определенного финала (им может быть другая точка бифуркации). Обычные аттракторы характеризуются устойчивостью динамической системы. Аттрактор как бы притягивает к себе подобно магниту множество различных траекторий системы, определяемых разными начальными значениями параметров. Здесь очень важную роль играют кооперативные, совместные процессы, которые основываются на когерентном, то есть согласованном, взаимодействии всех элементов зарождающейся устойчивой структуры.

Аттрактор можно сравнить с конусом или воронкой, которые своей широкой частью обращены к зоне ветвления, то есть к точке бифуркации, а узкой частью – к конечному результату, то есть к упорядоченной структуре. Если система попадает в сферу действия определенного аттрактора, то она эволюционирует именно к нему. Разными путями эволюция выходит на одни и те же аттракторы. В результате этого формируются параметры порядка, то есть устойчивого динамического состояния. В этом состоянии система может находиться до тех пор, пока в силу каких-либо причин, а также случайных флуктуаций она вновь не придет в неустойчивое положение. Эти причины связаны с дисгармонией, несоответствием внутреннего состояния открытой системы внешним условиям окружающей ее среды. Вследствие этого система теряет свою устойчивость, возвращаясь к хаотическому состоянию, и у нее вновь появляется множество новых путей развития. Для наглядности бифуркационный процесс эволюции системы можно представить в виде бифуркационного дерева (рис. 8.1).

По подобному принципу в виде эволюционного дерева можно представить развитие биологических видов или антропогенеза.

В точках бифуркации даже маленькое случайное изменение может привести к серьезному возмущению системы. Поэтому самоорганизующимся системам нельзя грубо навязывать определенные пути развития. Здесь необходимо исследовать и найти пути совместной жизни природы и человека, стараться глубоко познать природу их совместной эволюции, коэволюции.

Основы теории бифуркаций были заложены в начале XX в. французским математиком А. Пуанкаре и русским математиком А. Ляпуновым. В дальнейшем эта теория получила развитие в школе русского физика А. Андронова. Теория бифуркаций в настоящее время находит широкое применение в междисциплинарных науках, а также в физике, химии, биологии.

Рис. 8.1.Бифуркационный характер эволюции системы (X, Z – параметры системы, t – время, А и В – точки бифуркации)

Эволюционное движение системы обязательно связано с необходимостью перестройки адаптивных механизмов на качественно новый, более высокий уровень. Если система благодаря внутренней перестройке смогла (успела) адаптироваться к новым условиям, то она приобретает новое, организационно более высокое, устойчивое состояние; если нет, то она разрушается и гибнет. В адаптированном устойчивом положении система может находиться до следующей случайной флуктуации, после которой ситуация повторяется. По этой схеме идет эволюционное развитие всех систем на всех структурных уровнях, хотя скорость этого процесса различна. Так, химическая эволюция Вселенной продолжается от времени Большого взрыва до наших дней – это около 20 млрд лет, эволюция живой материи – 3,7 млрд лет, эволюция человека – около 2 млн лет, а человеческого общества – порядка нескольких десятков тысяч лет.

С точки зрения синергетической самоорганизации жизнь зародилась в диапазоне сложных систем. В этом случае следует считать жизнь совокупностью («сборкой») физико-химических элементов.

С позиций синергетики закономерным представляется и эволюция мира живого, которая по линии развития древесных млекопитающих привела к появлению человека как биологического вида, а также человеческого общества как социальной системы.

Предыдущая45464748495051525354555657585960Следующая

Дата добавления: 2016-04-06; просмотров: 648;

ПОСМОТРЕТЬ ЕЩЕ:

Диссипативная система (или диссипативная структура, от лат.dissipatio — «рассеиваю, разрушаю») — это открытая система, которая оперирует вдали от термодинамического равновесия.

Иными словами, это устойчивое состояние, возникающее в неравновесной среде при условии диссипации (рассеивания) энергии, которая поступает извне. Диссипативная система иногда называется ещё стационарной открытой системой или неравновесной открытой системой.

Диссипативная система характеризуется спонтанным появлением сложной, зачастую хаотичной структуры. Отличительная особенность таких систем — несохранение объёма в фазовом пространстве, то есть невыполнение Теоремы Лиувилля.

Простым примером такой системы являются ячейки Бенара. В качестве более сложных примеров называются лазеры, капельный кластер, реакция Белоусова — Жаботинского, циркуляция атмосферы и биологическая жизнь.

Термин «диссипативная структура» введен Ильёй Пригожиным.

Диссипативная система

Последние исследования в области «диссипативных структур» позволяют делать вывод о том, что процесс «самоорганизации» происходит гораздо быстрее при наличии в системе внешних и внутренних «шумов». Таким образом, шумовые эффекты приводят к ускорению процесса «самоорганизации».

См. также

Литература

  • Николис Г., Пригожин И. Самоорганизация в неравновесных системах: от диссипативных структур к упорядоченности через флуктуации. — М.: Мир, 1979. — 512 с.
  • Ванаг В. К. Диссипативные структуры в реакционно-диффузных системах. эксперимент и теория. — М.: РХД, 2008. — 300 с.

Ссылки

Диссипативное свойство

Cтраница 1

Диссипативные свойства в механических системах твердых тел выражаются соотношениями, характеризующими связь между силой трения и скоростью взаимного перемещения трущихся тел, причем в этих соотношениях производные сил или скоростей не фигурируют, как и в случае описания с помощью закона Ома диссипативных свойств в электрических системах.

 [1]

Диссипативные свойства механических систем с одной степенью свободы описываются при помощи характеристик трения — кривых зависимости силы сопротивления R от скорости у.

 [2]

В дальнейшем диссипативные свойства учитываются так, как в обычной линейной системе. Этот метод удобен еще и потому, что при его использовании автоматически учитывается правильный знак силы трения.

 [3]

Принимают, что диссипативные свойства металлоконструкций определяются законами вязкого трения.  [4]

Предполагая, что диссипативные свойства схемы моделируются первым дифференциальным приближением, можно высказывать, предположительные суждения о свойствах схемы на основании свойств ее аппроксимационной вязкости.

 [5]

Поскольку компонор благодаря своим диссипативным свойствам увеличивает логарифмический декремент затухания при динамических процессах ( вибрации), данные конструкции опор целесообразно применять также под трубопроводы узла редуцирования.

 [7]

Поскольку П — параметр характеризует диссипативные свойства материала на стадии зарождения распространяющейся микротрещины, то для ответственных деталей, не допускающих наличия опасных дефектов, выбор материала должен осуществляться на основе П — параметра: чем выше значение П, тем выше диссипативные свойства материала на стадии зарождения трещины и тем надежнее его работа в эксплуатационных условиях.

 [8]

Однако так как жидкости и системе присущи диссипативные свойства, то для реальных систем неограниченно развивающихся колебаний не будет, поэтому практическое значение имеют только положительные значения чисел Фруда.

 [9]

Чтобы понять, почему величина со действительноха-рактеризует диссипативные свойства среды как целого, проще всего обратиться к тем частным случаям, которые представляют практический интерес.  [10]

Если неконсервативный характер системы определяется только ее диссипативными свойствами, то систему называют диссипативной. Операторы А и С при этом обладают свойствами инерционного и квазиупругого операторов.

Оператор В описывает рассеяние энергии в системе. Некоторые конкретные реализации дисснпативных операторов были рассмотрены в гл.  [11]

Диссипативный коэффициент механизма дает количественное представление о диссипативных свойствах, приобретаемых механизмом в результате влияния трения.

Он зависит от коэффициентов трения в отдельных кинематических парах, от размеров этих кинематических пар, а также от положения и конфигурации механизма.

 [12]

Из выражения (3.23) следует, что уравнение Навъе-Стокса отображает инерционные и диссипативные свойства жидкости.

Диссипативные системы

 [13]

На практике линии дисклинаций могут играть значительную роль в определенных диссипативных свойствах потока. Это означает, что все гидродинамические эксперименты, предназначенные для проверки уравнений ЭЛП, имеют смысл только в случае, если дисклинаций тщательно устранены из образца и из всех областей выше по течению.

 [14]

Для всех рассмотренных выше схем ПДП является параболическим уравнением; Его диссипативные свойства связаны с членом vd u / dx; это слагаемое называют ап-проксимационной или схемной вязкостью.  [15]

Страницы:      1    2    3    4

Диссипативные структуры

Примеры употребления слова диссипативный в литературе.

По нашему мнению, недостатком этой конструкции является недооценка роли диссипативного окружения.

Там, в вычислительной среде — потоки случайных событий, идут хаотические процессы, возникают диссипативные структуры, то и дело бифуркации.

Теория диссипативных структур затрагивает чрезвычайно серьезный вопрос о происхождении порядка из хаоса, сложного из простого.

Хотя простейший из изучаемых уровней самоорганизации — это уровень диссипативных структур, образованных в самообновляющихся химических реакциях, применение этих принципов к биологическим, психологическим и социологическим явлениям нельзя назвать редукционистским мышлением.

Теория информации и теория систем, концепция морфоге-нетических полей Руперта Шелдрейка, холономная философия Дэвида Бома и Карла Прибрама, исследования диссипативных структур Ильи Пригожина, теория хаоса и объединенная интерактивная динамика Эрвина Ласло — вот лишь немногие яркие примеры таких новых разработок.

В теории диссипативных систем аттракторам и странным аттракторам, являющимся базисными фактами теории самоорганизации, уделяется особое внимание.

Теория информации и теория систем, концепция морфоге-нетических полей Руперта Шелдрейка, холономная философия Дэвида Бома и Карла Прибрама, исследования диссипативных структур Ильи Пригожина, теория хаоса и объединенная интерактивная динамика Эрвина Ласло — вот лишь немногие яркие примеры таких новых разработок.

Вам также может понравиться

Об авторе admin

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *