Пути к самоорганизации

В данной главе показано, что золотое сечение и его производные являются кодом устойчивости, гармонии и красоты структур различной природы. Оно лежит в основе самоорганизации самых разнообразных природных явлений. Использование подходов синергетики и фрактальной физики позволи ю найти ключ к установлению условий, при которых в живой и неживой природе проявляются свойства золотого сечения. Эти условия предопределяют формирование устойчивых структур при физико-химических процессах, их эволюцию и свойства среды, в которых зарождается новая устойчивая структура. Использование установленных закономерностей проявления свойств золотого сечения открывает путь к разгадке закона единого порядка в живой и неживой природе. [c.143]

При подведении к материалу энергии происходит ее диссипация путем обмена энергией и веществом системы с окружающей средой. В процессе этого обмена рождаются дефекты при контролирующем влиянии одного из них (лидер-дефект). Критерием перехода от организации структур к самоорганизации (точка бифуркации) является достижение системой порогового уровня диссипированной энергии данным лидером-дефектом. [c.239]

Можно сказать, что не только в общей открытой системе, через которую протекает упорядоченная энергия с рождением энтропии, но и в отдельных открытых частях такой системы идут сразу два процесса деградация по пути к хаотическому тепловому движению молекул и самоорганизация с усложнением структур и роста относящейся к ним доли информации (т.е. уменьшение энтропии). [c.70]

Таким образом, материалы с высокой энергией дефектов упаковки предполагают более высокие значения поверхностной энергии, которые характерны и для будущих поверхностей разрушения. Это является стимулом к повышению сопротивления разрушению материала путем активации процессов самоорганизации структуры в процессе диссипации энергии нагружения. Поступающая энергия нагружения в процессе диссипации расходуется на процесс формирования зон переходных поверхностных слоев будущей поверхности разрушения. При этом успевает сформироваться возможно более полная структура переходного поверхностного слоя, описанного в разделе 4.3. [c.130]

Самоорганизация - необратимый процесс, который путем кооперативного воздействия дискретных систем ведет к образованию комплексных (часто упорядоченных) структур в этих системах. Самоорганизация - это сверхкритическое явление. [c.368]

Структурная интерпретация потери устойчивости пластической деформации. Вероятностный критерий разрушения металлов. Теория самоорганизации в неравновесных термодинамических системах отводит важнейшее место моменту перехода в неустойчивое состояние. Именно в момент неустойчивости начинается переход к новому структурному состоянию, причем в этом новом состоянии свойства системы изменяются, на что мы указывали неоднократно. Но если система приобретает другие свойства, то и её развитие во времени происходит по законам, отличным от прежних. В неравновесной термодинамике момент потери системой устойчивости называют моментом бифуркации, поскольку, начиная с данного времени, система может развиваться по одному из двух возможных путей. Именно в этот момент огромное значение имеют случайные процессы, решающую роль в выборе пути развития играют флуктуации. [c.218]

В силу сказанного реальной представляется возможность установления связи между составом, фрактальной структурой и свойствами материала [И, 12]. Это ставит задачу развития фрактального материаловедения, учитывающего самоорганизацию диссипативных структур, отражающую способность системы приспосабливаться к внешним условиям воздействия путем реализации обратных связей. Согласно В.Е. Панину и др. [13, 14], в электронной структуре металла и сплава уже заложен генетический код, осуществляющий приспособление системы к внешнему воздействию. Задача управления свойствами сплавов и получение материалов с заданными свойствами сводится к отысканию способов целенаправленного усиления обратных связей. Указанная проблема сама по себе достаточно сложна и требует объединения физиков, химиков, механиков, материаловедов и технологов. [c.8]

Одним из типичных примеров самоорганизации диссипативных структур является переход ламинарного течения жидкости в турбулентное. До недавнего времени он отождествлялся с переходом к хаосу. В действительности же обнаружено, что в точке перехода путем самоорганизации диссипативных структур происходит упорядочение, при котором часть энергии системы переходит в макроскопически организованное вихревое движение, схематически представленное на рис. 3. Таким образом, гидродинамическая неустойчивость при переходе ламинарного течения в турбулентное связана с образованием динамических диссипативных структур в виде вихрей. [c.23]

Образование фуллеренов из углеродных кластеров включает две стадии термодинамической самоорганизации, различающихся механизмами диссипации энергии и формой кластера. На первой стадии происходит образование и рост плоского углеродного кластера путем создания двойных С—С связей, приводящего к увеличению атомов углерода в плоском кластере. Критическое число атомов в кластере С х вплоть до которого плоский кластер может оставаться плоским, контролируется уровнем поверхностной энергии (числом двойных С—С связей). Переход ко второй стадии термодинамической самоорганизации носит спонтанный характер и отвечает термодинамической самоорганизации, обеспечивающей смену механизма диссипации энергии. Контролирующим механизмом диссипации энергии на этой стадии (после пе- [c.92]

Анализ особенностей накопления повреждений и сопротивления материалов действующим нагрузкам в зависимости от условий нагружения с позиций синергетики приводит к заключению о возможности управления свойствами композиционных материалов путем целенаправленного использования кооперативных эффектов пластического деформирования и разрушения структурных элементов, т.е. эффектов, отражающих свойство самоорганизации диссипативных структур. Широкие перспективы в этом направлении открывает соединение подходов синергетики с возможностью компьютерной имитации механизмов деформирования и разрушения материалов на различных структурных уровнях. [c.5]

Попытаемся наметить путь перехода от общей теории, схематично изложенной выше, к проблеме самоорганизации дефектной структуры кристаллических материалов при их деформации. К сожалению, до последнего времени теоретически рассмотрены в работах И. Пригожина лишь процессы самоорганизации в химических и биохимических системах. Для них основными параметрами, фигурирующими в кинетических уравнениях, являются концентрации реагирующих веществ и коэффициенты диффузии. Аналогично деформируемому кристаллу с дефектами можно рассматривать концентрацию (плотность) различных дефектов (дислокаций, дисклинаций, пор, трещин и т. д.). При этом свойства хорошего материала (в котором отсутствуют дефекты) могут оказать лишь некоторое количественное, но не качественное влияние на поведение дефектов при деформации. Иными словами, кинетические уравнения будут одни и те же (но с разными коэффициентами) для широкого класса материалов и условий деформации. [c.85]

Установлено, что область 1 отвечает зарождению карбидов, а 2 - росту карбидов. В обоих случаях сохраняется когерентность связи между карбидной фазой и матрицей. С позиции макротермодинамики структурообразование на стадии зарождения карбидной фазы и ее рост связаны с термодинамической самоорганизацией. Однако, переход от одной стадии к другой возможен только путем динамической самоорганизации структур. Это обусловлено тем, что возникшая при отпуске стали новая фаза (карбид) является подсистемой по отно- [c.205]

Термодинамика необратимых процессов явилась основой эволюционных феноменологических теорий и продолжила путь к созданию синергетики и теории нелинейных динамических систем. Трудно выделить другой раздел теоретической физики, где бы темпы развития имели столь стремительный характер. Вместе с тем, осознание и закрепление учебного материала надежно реализуется лишь при решении конкретных задач и проблем. В этой связи издательство Удмуртский Университет предприняло повторное издание книги Термодинамика необратимых процессов в задачах и решениях как одной из немногих книг с подобной ориентацией содержания. Со времени первого издания книги издательством Наука , главнвя редакция физико-математической литературы, Москва, 1979 год прошло двадцать лет. Книга была оценена научной общественностью, а тираж ее быстро разошелся в читательской среде. Назрела потребность нового издания. Первоначально планировалось существенно дополнить материал книги в разделе Нелинейная термодинамика новейшими исследованиями из области диссипативных структур, самоорганизации и хаотической динамики, но в процессе работы мы отказались от этого замысла, поскольку это будет новая книга с ориентацией на компьютерные технологии. Поэтому второе издание практически повторяет первое издание книги, устранены лишь замеченные опечатки и неточности текста. [c.6]

Первая, вводная глава является иллюстративной. Ее задача — дать представление о задачах синергетики в различных областях знания физике, технике, химии, биологин, общей теории вычислительных систем, экономике, экологии, социологии, выявить общие черты рассматриваемых в них проблем и, наконец, проделюн-стрировать общность математического аппарата. Эта общность проявляется как при динамическом, так и при статистическом описаниях. На многих примерах показано единство основных понятий теории самоорганизации принцип подчинения, параметры порядка, диссипативные структуры, неравновесные фазовые переходы. Общими являются и пути, ведущие к самоорганизации. Изложенное в первой главе убедит многих читателей в целесообразности и плодотворности развиваемого единого подхода к описанию эволюционных явлений, явлений самоорганизации и в полезности введения объединяющего термина синергетика . [c.6]

Развитие металловедческого направления изучения этих слоев открывает научный путь к реализации процессов самоорганизации высокоизносной структуры, возможности контроля качества материала после технологической обработки и, следовательно, способствовать оптимальному применению вида и [c.48]

Другим направлением, стремительно развивающимся в последние годы, является синергетика, изучающая закономерности самоорганизации структур. Подходы синергетики также позволяют описывать сложное поведение открытых систем, не вступая в противоречие со вторым законом термодинамики. Как показал И. Пригожин с сотрудниками [3-5] открытые системы способны к са-мооптимизации путем самоорганизации диссипативных структур. Стабилизация открытой системы достигается при этом ценой компенсирующего произ- [c.3]

Динамические структуры могут возникать в различных средах. Из гидродинамики хорошо известно, что при определенной скорости движения жидкости ламинарное течение сменяется турбулентным. До недавнего времени этот переход отождествляли с переходом к хаосу. В действительности же обнаружено, что в точке перехода путем самоорганизации диссипативных сфуктур происходит упорядочение, при котором часть энергии системы переходит в макроскопически организованное вихревое движение. Переход от ламинарного течения к турбулентности является примером реализации гидродинамической [c.62]

Понятие самоорганизации неразрывно связано с самоуправлением путем действия обратных связей, получившее свое яркое воплощение в кибернетических системах. Принцип самоуправления в этих системах заимствован из законов эволюции живых организмов, способных не только адаптироваться к окружающей среде, но и изменять эту среду гак, чтобы ее характеристики в наибольшей степени соответствовали их возможностям существования. Все эти функции выполняет нервная система. Известно, что каждой динамической системе свойственны следующие особешюсти [c.68]

Поскольку композиты относятся к открытым неравновесным термодинамическим системам, то при изучении происходящих в них процессов нужно учитывать изменение общей энтропии во времени. Эволюция таких систем может осуществляться либо плтем самоорганизации и возникновения метастабильных упорядоченных структурных состояний, либо путем общей деградации и распада системы. Изучением путей эволюции открытых термодинамических систем различной природы и поиском точек бифуркаций, где возможен переход от одного режима эволюции системы к другому, занимается активно развивающаяся в последние годы наука - синергетика. [c.67]

На протяжении всей книги, начиная с классификации и кончая проблемами синергетики при конструировании новых видов нано-, био-, жидкокристаллических и других композиционных материалов, мне хотелось показать паноралг представить богатство путей новых поисков, подчеркнуть мультидисциплинарность и нелинейность подхода к анализу свойств композитных систем. Развитие междисциплинарного подхода отражает потребность перейти на каком-то уровне развития науки от специализации и детализации к обобщению, синтезу, к выбору наиболее интересных и важных проблем из океана нашего Незнания. Синергетика, теория самоорганизации - это способ взглянуть на проблему открытых нелинейных систем по существу. Эт мысль хорошо отражает цитата из книги Новое в синергетике Чтобы быстрая и глубокая река не превратилась в мелкое озеро со стоячей водой, ей надо иметь берега. И, конечно, большое желание из этих берегов выйти . [c.178]

Еще один важный аспект стабильности наноматериалов заключается в воспроизводимости структуры и соответственно свойств этих объектов. Неповторяемость характерна для многих новых технологий, что часто ограничивает возможности их практического применения. Строгое соблюдение режимов и регламентов не всегда обеспечивает искоренение неповторяемости , не говоря уже об усложнении и удорожании технологии. Полагают, что это не чисто техническая задача, а вопрос, связанный с возрастающей динамической неустойчивостью хаотических систем, к которым можно отнести и наноструктуры с их существенным отклонением от равновесия и значительными поверхностными и объемными флуктуациями. В более общей постановке этот вопрос связан с выяснением закономерностей самоорганизации в наносистемах, т.е. спонтанного образования и развития структуры, когда возникают бифуркации, символизирующие возможность осуществления нескольких путей эволюции. При этом поведение системы становится мультимодальным или вариабельным и существенно зависит от флуктуаций. Закономерности появления бифуркаций и влияние размерных эффектов на появление мультимодальности практически не изучены. Применительно к наноматериалам процессы самоорганизации должны учитываться на многих стадиях синтеза, консолидации, хранения и эксплуатации. Сюда примыкает и необходимость выявления возможностей самосборки как замены искусственных методов консолидации. [c.101]

Самоорганизующимися процессами называют процессы, при которых возникают более сложные и более совершенные структуры [2, б]. Это определение позволяет выделить самоорганизацию как один из возмож-нь1х путей эволюции и отнести этот процесс к условиям, далеким от термодинамического равновесия. Эволюция может приводить и к деградации. Так, в закрытых системах, когда движущая сила процесса — стремление системы к минимуму свободной энергии, достигаемое равновесное состояние является наиболее хаотическим состоянием среды. Если же эволюция системы контролируется минимумом производства энтропии (Неравновесные условия), происходит самоорганизация динамических структур, названных диссипативными. К диссипативным структурам относятся пространственные, временные или пространственно-временные структуры, которые могут возникать вдали от равновесия в нелинейной области, если параметры системы превышают критические значения [26]. Диссипативные структуры могут перейти в состояние термодинамического равновесия только путем скачка (в результате неравновесного фазового перехода). Основные их свойства следующие [18, 24, 26] [c.22]

Другим характерным примером самоорганизации ритмически повторяющихся структур служат слоистые покрытия со строго определенными размерами слоев. Структура покрытия, представленная на рис. 11, обусловлена ритмическим повторением реакции при пиролитическом хромировании изделия путем разложения паров металлорганического соединения и охлаждения их на нагретую стальную подложку. Строгая повторяемость слоев и постоянство их толщин указывает на самоорганизо-ванность структурообразования, которая возможна только в условиях, когда движущей силой процесса является стремление системы к минимуму производства энтропии. Структурообразование носит автоколебательный характер, а параметром порядка является теплопроводность среды. Это определяет чередование структур хромокарбидного соединения от близкого к аморфным (белые слои) к кристаллическим (черные слои) [32]. [c.28]

В настоящей главе дается анализ неравновесных технологий, создаваемых путем обеспечения градиентов температур, напряжений и химического состава в системе, приближающих ее к точке бифуркационной неустойчивости элементов структуры. В этих условиях аномально возрастают коэффициенты диффузии и самодиффузии, формирующие потоки вещества, обеспечивающие самоорганизацию диссипативных структур. Комплексное легирование в сочетании с термомеханическими условиями воздействия на металл, позволяет получать необходимую степень нерав-новесности сплава в твердом состоянии. [c.216]

С позиций синергетики достигнутые успехи в улучшении качества металла првг продувке жидкого металла газом связаны с обеспечением условий самоорганизации структурообразования в расплавах путем турбу-лизации среды. В этой связи рассмотрим исследования [339] структуры турбулентного газожидкостного плюмажа (зона барботирования) при вертикальной продувке расплава внизу, проведенные на модельной установке (рис. 135). Для инжектирования газовой и жидкой фаз в зоне барботирования был применен двухконтактный электрорезистивный датчик, подключенный к микрокомпьютеру. Были изучены локальное газонасы-щение, частота и скорость движения пузырей в газожидкостном плюмаже, характеризующемся высокой степенью турбулентности. Установлено, что распределение газонасыщения в радиальном направлении является подобным по всему объему плюмажа и обладает выраженной колоколообразной формой, центрированной по оси сопла, через которое продувается газ. Кривые зависимости профилей локального газонасыщения в разных поперечных сечениях плюмажа от радиальной координаты оказались близкими к кривой Гаусса. Аналитически они представлены в виде [c.219]

Мартенситные превращения связаны с перестройкой кристаллической решетки и совершаются путем кооперативного движения атомов. Теоретические исследования у—а мартенситных превращений проводятся с использованием кристаллогеометрического, термодинамического и волнового подходов. Однако только волновой подход способен описать динамику у—а мартенситных превращений. Это направление связано с работами Кащенко [395], развившим волновую модель роста мартенсита при у—а-превращении в сплавах на основе железа. Модель базируется на экспериментальных данных, показывающих, что скорость торцевого роста кристаллов инвариантна к температуре, близка по порядку величины к скорости звука и, возможно, превышает скорость распространения продольных упругих волн. Это указывает на нелинейный характер волнового процесса и его адиабатичность. Сочетание этих факторов с переохлаждением (ЛТ = 200К ниже температуры Tq равновесия фаз), значительными тепловым и объемным эффектами превращения приводят к большим градиентам температуры и химического потенциала электронов в меж-фазной области. Это показывает, что у—а мартенситные превращения — сильно неравновесные процессы с характерными признаками самоорганизации структур. [c.248]

Далее самоорганизация диссипации подводимой энергии в системе переходит на новый, более высокий иерархический уровень — формирование равноосных частиц (стадия IV) путем формоизменения частиц, образующихся на предыдущей стадии. Энергоемкость этого процесса контролируется предельной плотнотью энергии формоизменения сваренных частиц (достижение максимального уровня энтропии). Бифуркационная неуйстойчивость на этой стадии достигается к моменту исчерпания возможности диссипации энергии путем формоизменения сваренных частиц. Переход к новому механизму диссипации энергии связан со сваркой равноосных частиц без предпочтительной ориентации сварных швов. Поскольку к моменту завершения стадии IV сваренные частицы вновь приобретают избыточную энергию, то последующая сварка равноосных частиц становится стадией перехода в новое устойчивое состояние (стадия V). Она предшествует финальной стадии — механическому легированию — образованию частиц А + В (стадия VI). Переход на эту стадию означает конец самостоятельного существования А и В, так как ни элемент А, ни элемент В не имеют в запасе ни одного альтернативного механизма диссипации энергии, кроме образования химических связей. [c.320]

О самоорганизации в узлах трения. В поисках новых путей повышения износостойкости деталей машин целесообразно обратиться к живой природе. Анализ нагруженных подвижных сочленений показывает, что имеется всего два типа узлов трения — открытые и закрытые. В открытых узлах трения работает твердый материал по твердому — это зубы животных. Закрытые узлы трения — суставы живых организмов, сконструированные на принципах, которые в машиностроении не применяют. Здесь на твердой кости располагается мягкий хрящ, на поверхности которого имеется тонкая подвижная полимерная пленка. Сопряженная поверхность имеет такую же структуру. В суставе в паре трения работают два одинаковых материала, причем мягкий по мягкому. Заметим, что подобные пары трения (у мыши, слона, рыбы, птицы) являются универсальными узлами, обладающими безызносностью . [c.269]

Традиционный подход к синтезу структур и материалов, принятый в материаловедении, связан с учетом закономерностей физико-химических процессов, установленных для макромира применительно к квази-закрытым системам. Однако синтез структур отвечает сугубо неравновесным процессам, развивающимися при наличии высоких градиентов температур, напряжений или химического состава. В этих условиях система становится открытой, что требует использования принципов термодинамики неравновесных процессов и нелинейной динамики (синергетики) структурообразования. Для таких систем характерны процессы самоорганизации диссипативных структур [5,6], позволяющие сохранять целостность системы путем самоорганизации более устойчивой структуры, взамен старой,+ потерявшей устойчивость. Реализуемый процесс самовыбора устойчивой структуры при достижении неустойчивого состояния системы, является универсальным и относится к классу самоуправляемого синтеза структур. В этом случае роль внешнего фактора сводится лишь к поддержанию энергии в системе на определенном уровне, отвечающем критическому значению управляющего параметра, при достижении которого возможен процесс самоуправления. [c.61]

В результате возникли такие понятия как диссипативные структуры и самоорганизация, ставшие привычными и широко используемыми в различных науках. Введение необратимости в ранг фундаментального описания эволюции сложных систем создало базу для развития общего подхода к установлению закономерностей эволюции макро и микро /нано/ мира. Главными барьерами на пути описания поведения систем макро и микромира являются ограничения классической и квантовой механики. В квантовой теории микромира важнейшим является принцип неопределенности ГЕЙЗЕНБЕРГА, в соответствии с которым нельзя с определенной точностью измерить одновременно положение и импульс объекта при этом принцип не запрещает точно измерить только или положение частицы или только импульс. Квантовая механика позволила решить многие проблемы ядерной физики, в том числе создать ядерное оружие и ядерное топливо. Однако, несмотря на огромные успехи квантовой теории, она до сих пор подвергается резкой критике со стороны выдающихся физиков XX столетия. Так, нобелевский лауреат Ричард Фейнман в 1987 г. написал [24] ...мне кажется и я смело могу сказать, что квантовой механики никто не понимает...никто не знает, как это может быть Другой нобелевский лауреат Абдус Салам, еше [c.65]

В вводных главах затрагиваются наиболее типичные экспериментальные конструкции и активные среды лазеров, но основная часть книги будет посвящена теоретическому описанию широкого круга лазерных процессов. Лазер, или оптический мазер, как он первоначально назывался, будучи одним из самых важных изобретений Haniero века, нашел многочисленные применения в физике, химии, медицине, технике, теле- и радиосвязи и других областях. Весьма перспективны и другие приложения, например в компьютерах. Но физические процессы, приводящие к уникальным свойствам лазерного излучения, необычайно интересны и в плане фундаментальных исследований. Лазер — прекрасный пример системы, находящейся вдали от теплового равновесия, которая может достигать макроскопически упорядоченного состояния путем самоорганизации. Это был первый пример неравновесного фазового перехода, и его исследование способствовало рождению синергетики, новой области исследований на стыке паук. [c.12]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...