TechnologySide

Вездесущие неустойчивости

Загните небольшие участки на концах трубки вверх так, чтоб сифон стал W-образным. Если теперь наполнить его водой и вынуть, вода останется в трубке – равновесие стало устойчивым. При случайном движении воды давление с той стороны, куда она течет, становится уже не меньше, а больше, чем с противоположной, и разность давлений возвращает воду на прежнее место. Такой сифон удобен при многократном переливании воды – из него не нужно отсасывать воздух при каждом погружении, достаточно сделать это лишь в первый раз.

На примере W-образного сифона видно, что устойчивость имеет свои пределы: система, устойчивая при небольшом отклонении от равновесия, может потерять устойчивость, если отклонение от равновесия слишком велико. Так, стоит воде в одном из колен подняться выше уровня среза трубки Б, и устойчивость исчезнет.

Это нетрудно проверить, осторожно вдувая воздух в один из концов сифона.

Поначалу от вас потребуется небольшое усилие, вода будет «сопротивляться», но в некоторый момент «сопротивление» исчезнет, и вода выльется полностью, даже если вы прекратите вдувать воздух.

Эффектный опыт, Показывающий, как неустойчивость приводит к образованию определенной структуры, можно провести с десятком иголок. Необходимо намагнитить их в одинаковом направлении, скажем, прикладывая ушко к северному полюсу подковообразного магнита, а острие – к южному. (Если у вас нет подковообразного магнита, воспользуйтесь самодельным электромагнитом. Изолированный провод намотайте в несколько слоев на бумажную трубку и, подключив концы этой катушки к батарейке, поместите внутрь иголки). Иголки воткните в небольшие кусочки пробки или пенопласта, покрытые парафином, – получатся магнитные поплавки. Опустите их в стакан с водой. Поскольку одноименные полюса магнитов отталкиваются, а иголки ориентированы одинаково, поплавки расплывутся в разные стороны, стремясь максимально удалиться друг от друга – при этом энергия всей системы наименьшая. Поплавки образуют правильные фигуры: три поплавка – равносторонний треугольник, четыре – квадрат, пять – пятиугольник. Если поплавков много, устойчивыми будут несколько конфигураций – один поплавок находится в центре, остальные рассредоточены по краю стакана. Понятно, что такой рисунок не могут образовать два или три поплавка. А при каком наименьшем их числе структура с поплавком в центре будет устойчивой? Попробуйте определить это на опыте.

Рис. 2. Распределение магнитных поплавков

Если зажженную свечу поставить на дно высокого узкого сосуда, то можно наблюдать процесс упорядочивания потоков воздуха. Для этого достаточно, опустив в сосуд Т-образную перегородку из картона, разделить его пополам (нижний край перегородки должен находиться на несколько сантиметров выше пламени).

Через некоторое время картон начнет тлеть, сосуд наполнится дымом и станет хорошо видно, что с одной стороны перегородки струи горячего воздуха и дыма поднимаются вверх, а с другой – течет вниз свежий холодный воздух. Если вынуть перегородку, два эти потока смешаются, их движение станет совершенно беспорядочным. Но стоит опустить перегородку на место, и они вновь разделятся. Когда свеча и перегородка стоят точно по центру, нельзя заранее сказать, по какой части сосуда поток пойдет вверх, а по какой вниз – это зависит от случайного распределения потоков в сосуде в первый момент времени. Опыт хорошо получается со стеклом от керосиновой лампы.

Слова «упорядочивание», «самоорганизация» стали появляться на страницах научных журналов в 70-х годах XX столетия. Возникла новая область исследований, затрагивающая различные науки и посвященная процессам самоорганизации – синергетика. Синергетика изучает нелинейные системы, то есть системы, которые могут очень резко изменять свои характеристики, поскольку величина их отклика на внешнее воздействие непропорциональна величине самого воздействия. Большинство систем, обладающих неустойчивостью, нелинейны – при сколь угодно малом отклонении от равновесия они переходят в другое, устойчивое состояние, значительно отличающееся от прежнего. Вообще говоря, серьезный синергетический эксперимент требует достаточно сложной аппаратуры и расчетов на ЭВМ, но познакомиться с синергетикой можно и на кухне.

Немного больше о технологиях >>>

Изо всех лошадиных сил
В 1765 году англичанин Джеймс Уатт изобрел паровую машину, положив начало длинной цепочке инноваций в двигателестроении. В 1860 году французский механик Этьен Ленуар разрабатывает первый поршневой двигатель внутреннего сгорания. В 1889 году швед Карл Густав Патрик Лаваль, соверш ...

Классификация изобретений и НТП
"Экономична мудрость бытия, все новое в нем шьется из старья". В.Шекспир В шестом веке до нашей эры в древнегреческой колонии Сибарис — крупном по тем временам торговом центре, жители которого славились любовью к роскоши, — существовал обычай, по которому повар, пр ...