Ячеистые структуры в жидкости, облачные узоры и геологические формации (стр. 1 из 3)

РЕФЕРАТ

«Ячеистые структуры в жидкости, облачные узоры и геологические формации»

Рис. 1. Шар в состоянии устойчивого равновесия на дне чаши

В механике известны различные виды равновесия (Рис. 1-3). Представим себе открытую чашу, в которую помещен шар. Пребывая в состоянии равновесия, шар этот покоится в самой глубокой точке чаши. Если сдвинуть шар с места и отпустить, он немедленно вернется в положение равновесия. Перед нами случай устойчивого равновесия. Поместим теперь шар на плоскую поверхность стола. Передвигая шар, мы видим, что всякий раз он оказывается на новом месте в состоянии покоя. Такое равновесие называется безразличным. И наконец, если нам удастся заставить шар балансировать на поверхности опрокинутой чаши, такое состояние шара также будет состоянием равновесия. В этом случае при самом малом смещении шара из точки равновесия он покинет ее навсегда. Здесь мы имеем дело с неустойчивым равновесием. Эти простые понятия мы будем использовать и для того, чтобы лучше понять некоторые интересные феномены движения жидкостей — явления широко известные, но редко нами осознаваемые. Иногда в небе наблюдаются «облачные улицы», строго упорядоченные ряды облаков (Рис. 4). Планеристам известно, что эти ряды представляют собой не статичные формации, а подвижные воздушные массы, причем вдоль некоторых из таких «улиц» воздух движется вверх, а вдоль других — вниз. Таким образом, воздушные потоки образуют цилиндры.

Рис. 2. Шар в состоянии безразличного равновесия на плоской поверхности

Движение такого рода можно воспроизвести в лабораторных условиях в очень уменьшенных масштабах, взяв вместо воздуха жидкость. При нагревании снизу слоя жидкости в сосуде происходит следующее: пока разница температур между верхним и нижним слоями жидкости невелика, жидкость на макроскопическом уровне остается неподвижной (Рис. 5). Естественно, жидкость стремится к выравниванию разницы температур посредством теплообмена, но поскольку теплообмен происходит на микроскопическом уровне, непосредственно наблюдать его мы не можем. При дальнейшем увеличении разницы температур слоев происходит нечто поразительное. Жидкость приходит в движение на макроскопическом уровне, и движение это никоим образом не является хаотическим. Напротив, жидкость движется весьма упорядоченно, образуя при этом цилиндрические ячейки (Рис. 6).

Направление движения жидкости показано на рисунке стрелками: поднявшись к поверхности, жидкость охлаждается и снова опускается вниз. Самым удивительным в этом цилиндрическом образовании является то, что для организации такого коллективного движения молекулы жидкости должны каким-то образом «договориться» между собой через огромные по их масштабам расстояния, ведь образующиеся в процессе цилиндры в миллиарды раз превосходят размерами сами молекулы. Рассмотрим для начала слой жидкости, находящейся в состоянии покоя. При нагревании расположенная внизу жидкость расширяется и вследствие этого стремится вверх, сверху же при этом давит жидкость более холодная и поэтому более тяжелая. Стремящиеся вверх и вниз массы жидкости оказываются в состоянии равновесия (Рис. 7).

Устойчиво это равновесие или же безразлично? На первый взгляд может показаться, что такое равновесие неустойчиво, так как верхние массы жидкости стремятся опуститься вниз, а нижние подняться вверх, и достаточно небольшого толчка, чтобы вся жидкость пришла в движение. Однако в действительности, как мы сейчас убедимся, ситуация несколько сложнее.

Представим себе маленький шарик нагретой жидкости, поднимающийся вверх (Рис. 8). Встречаясь с более холодными слоями, он будет передавать им свое тепло. Вместе с теплом шарик теряет и «подъемную силу». Кроме того, движение его будет тормозиться из-за трения с окружающей средой. Охлаждение и торможение, таким образом, препятствуют дальнейшему движению шарика, и оно прекращается; жидкость продолжает пребывать в состоянии покоя. Такое положение дел, однако, возможно лишь до тех пор, пока разница температур невелика. Как только жидкость нагреется достаточно сильно, горячие капельки жидкости устремляются вверх, и этот процесс становится основой макроскопического движения. Поразительно, что при этом отдельные нагретые частицы жидкости движутся вверх отнюдь не хаотично — напротив, их движение строго упорядочено. Кажется даже, что всем этим управляет некая внешняя сила; попытаемся разобраться в происходящем, прибегнув к аналогии.

Рис. 3. Шар в состоянии неустойчивого равновесия на поверхности опрокинутой чаши

Рис. 4. «Облачные улицы»

Рис. 5. Слой жидкости, подогреваемый снизу

Рис. 6. Цилиндрическое движение жидкости

Рис. 7. Нагреваемая снизу жидкость в состоянии покоя

Рис. 8. Поднимающийся вверх шарик жидкости

Рис. 9. Пловцы в бассейне: неорганизованное движение

Рис. 10. Пловцы в бассейне: упорядоченное, организованное движение по кругу

Представим себе бассейн, в котором люди плавают из одного конца в другой. Если пловцов очень много, то они будут постоянно оказываться друг у друга на пути (Рис. 9). Чтобы избежать подобной сутолоки в открытых бассейнах, переполненных желающими искупаться в жаркий летний день, некоторые смотрители запускают пловцов по кругу (Рис. 10), так что они теперь мешают друг другу гораздо меньше. Коллективное движение по кругу «предписано» пловцам смотрителем бассейна; однако не исключено, что они и сами могли бы додуматься до чего-то подобного: сначала, возможно, в этом участвовало бы всего несколько человек, но со временем к ним присоединились бы и другие — те, кому эта идея понравилась, и такой способ плавания показался удобнее. Так в конце концов может возникнуть коллективное движение; поскольку это происходит при отсутствии внешнего организатора, можно говорить о самоорганизации. Пример с жидкостью демонстрирует нам, что и Природа поступает точно так же. Она обнаруживает, что нагретые частицы гораздо легче доставить наверх, если упорядочить их передвижение.

Но каким образом происходит такое упорядочивание? В качестве частного примера рассмотрим все ту же жидкость. Здесь упорядочивание происходит в результате множественных флуктуации. Безостановочно «тестируя» различные возможности, жидкость переправляет нагретые частицы вверх, в то время как более холодные опускаются вниз. Все эти бесчисленные возможности могут быть описаны как совокупности различных простых движений, т. е. любое неупорядоченное движение можно, на первый взгляд, представить в виде суммы неких упорядоченными форм. Два примера такого движения представлены на Рис. 11 и 4.12. В первом случае жидкость обнаруживает, что такой порядок особенно благоприятен для подъема теплых частиц.

Движение разрастается, в него включается все больше и больше частиц, подчинившихся данному порядку и «порабощенных» им. Другой тип движения со временем затухает — это была всего лишь флуктуация. Перед нами пример конкурирующего поведения двух различных типов коллективного движения: один из них берет верх, подчиняя себе при этом все остальные. Возникает совершенно определенный тип движения жидкости в цилиндрических ячейках, выполняющий функции организатора. Именно организатор указывает отдельным частицам жидкости, как они должны двигаться. Стоит только такому типу движения обосноваться на одном из участков жидкости, как в процесс образования цилиндров оказываются вовлечены и другие участки. Представляется интересным точно вычислить, какой именно тип коллективного движения возобладает, и какие другие конфигурации окажутся им подчинены. Конечно, справедливо это лишь cum grano salis. Собственно, если рассматривать отдельную ячейку (например среднюю), то совершенно очевиден тот факт, что в принципе одинаково возможно и движение цилиндра слева направо, и движение справа налево (Рис. 13 и 4.14). Какое именно из этих двух направлений будет выбрано, зависит от случая.

Нарушение симметрии направлений может произойти в результате случайной флуктуации. Как только начальное состояние покоя жидкости нарушено, для возникновения цилиндрических ячеек и макроскопического движения оказывается достаточно даже малейшей флуктуации. Позднее, обратившись к социологии, мы увидим, что и в политических и экономических событиях малые флуктуации — зачастую случайные — оказывают решающее влияние на окончательный выбор направления, определяющего дальнейшее развитие событий. После того как выбор сделан, все существовавшие до этого возможные варианты оказываются исключены, и изменить решение касательно сделанного выбора уже нельзя. Выбор часто определяется совсем незначительными флуктуациями, однако в движении должны принять участие все без исключения частицы, хотят они того или нет.

Рис. 11. Слева: одна из возможных структур, возникающих при цилиндрическом движении. Справа: С течением времени скорость вращения цилиндрических ячеек возрастает