Теоретический материал

Фрактальные структуры в окружающем мире

Лабораторная работа №1.

К началу документа

Составитель: д.т.н., проф. Красногорская Н.Н

Программа обсуждена на заседании кафедры безопасности производства и промышленной экологии «____»________2000 г., протокол № __
Зав. кафедрой д.т.н., проф. Н.Н. Красногорская

Рабочая программа рассмотрена и одобрена на заседании научно-методического совета по специальностям 330100, 330600 “___”________2000, протокол №_
Председатель НМС д.т.н., проф. Н.Н. Красногорская

1. Теоретический материал 1.1. Фрактальные структуры 1.2 Фрактальная размерность 1.3. Фрактальные кластеры 2. Порядок выполнения работы Оформление работы Контрольные вопросы

Цель работы: ознакомление с фрактальными структурами в физических системах и явлениях

В последние десятилетия как общественные так и естественные науки подошли к пониманию и включению в область своих интересов вопросов саморазвития материи и социума, макродинамики процессов развития природы и общества, нелинейного характера процессов, происходящих в мире.

Термин “синергетика” (от греч. synergeia - совместное действие) был предложен в начале 70-х годов немецким физиком Г.Хакеном. Синергетика занимается вопросами самоорганизации, т.е. спонтанного образования и развития сложных упорядоченных структур в активных средах. Сам термин “активная среда” нуждается в пояснении. Активные среды - это открытые незамкнутые системы. Для активных сред характерен непрерывный, рассредоточенный приток энергии от внешнего источника и ее диссипация. Благодаря тому, что через каждый малый элемент среды протекает поток энергии, этот элемент выводится из состояния теплового равновесия и приобретает способность совершать автоколебания. Если эти элементы взаимосвязаны, образуется так называемая распределенная активная среда, в которой образуются различные стационарные, т.е не зависящие от времени, или динамические (изменяющиеся во времени) упорядоченные структуры. В этом и заключается эффект самоорганизации.

Термин “самоорганизация” может также быть определен как возникновение упорядоченных структур и форм движения из первоначально неупорядоченных, нерегулярных форм (хаоса), без специальных, упорядочивающих внешних воздействий на систему.

Второе начало термодинамики утверждает непреложное возрастание энтропии и потерю со временем информации в замкнутых системах. Возникновение же упорядоченных структур связано с ростом информации и, таким образом, с падением энтропии. (В этом случае иногда говорят о росте “отрицательной энтропии” или негэнтропии). Упорядоченное состояние менее вероятно, чем состояние термодинамического равновесия, поэтому, для того чтобы система пришла в такое “маловероятное” состояние, она или должна быть в начальный момент времени далека от состояния термодинамического равновесия, или неравновесность в ней должна все время поддерживаться внешними воздействиями. Система должна быть, таким образом, незамкнутой, открытой. Условия неравновесности и открытости являются необходимыми для возникновения процесса самоорганизации. Следует отметить, что этим условиям отвечает большой класс явлений в окружающем мире.

Классическим примером самоорганизации является возникновение жизни. Однако существуют и более простые системы, обладающие склонностью к самоорганизации, например, образование волнового рельефа песка под действием дующего ветра, возникновение шестиугольных конвективных ячеек, или ячеек Бенара в жидкости, налитой в сосуд, подогреваемый снизу, в северных сияниях, обусловленных взаимодействием электронов, направляющихся от солнца и захваченных магнитным полем Земли и электронами и ионами ионосферы.