Сергей Зимов - Азбука рисунков природы

• Название: Азбука рисунков природы
• Автор: Сергей Зимов
• Издательство: Наука
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 1993
• ISBN: 5-02-003811-3

Почему сетка трещин похожа на сеть городских улиц, а прожилки зеленого листа на речную систему? Как возникает ячеистый рисунок на шкуре жирафа и почему он похож на конвективные ячейки? Есть ли у природы универсальный принцип, обеспечивающий появление упорядоченных форм? Если Вы хотите узнать ответы на эти вопросы, увидеть шедевры природной графики, научиться понимать язык рисунков и конструировать пространственные структуры, если Вам интересна проблема «порядок из хаоса», прочтите эту книгу.

Для широкого круга читателей.

---

Рис. 131

Рис. 132

Рис. 133

Дороги разгружают потенциал в параллельном себе направлении, но одновременно с этим в их окружении потребность в перевозках обычно возрастает — дороги «притягивают» население, производства самоусиливают потенциал. Дороги — это подъездные пути для нового строительства, т. е. возле себя они снижают и порог. Поэтому сеть развивается в режиме ветвления — у дороги возникают притоки.

Развитие дорог и поселений (экономических узлов) тесно взаимосвязано, они взаимоусиливают свои потенциалы. Эти элементы и в моделях и в реальности зарождаются зачастую одновременно.

Развитие дорог в их потенциальном поле сходно с развитием трещин, потенциал они разгружают одинаково — преимущественно в параллельном себе направлении, поэтому при сходном потенциальном рельефе рисунки трещин должны быть похожи на транспортные структуры. Проведем такой эксперимент. Возьмем лист бумаги, покрытый тонким слоем стеарина, положим его на мягкое основание и сверху надавим шарообразным предметом диаметром порядка 10 см. На стеарине появится система трещин (рис. 132). Эти структуры развивались в радиально-анизотропном поле напряжений в режиме плавного наращивания значений потенциала. В таком же потенциальном поле развивается транспортная структура вокруг равнинных городов. Как видим, рисунок железных дорог вокруг Москвы (рис. 133, а) похож на рисунок трещин. Для сравнения посмотрим на рисунок центральносевероамериканских железных дорог, возникший в условиях преобладания субширотного транспортного потока (рис. 133, б) Отметим, что индикатриса потенциального поля, в котором развиваются дороги, может иметь форму восьмерки. В этом случае возможны остроугольные сочленения.

Рассматривая рисунки трещин, мы анализировали ситуацию, когда трещина, выйдя из зоны с высокими значениями напряжений, стремится развернуться назад. Схожую ситуацию мы можем видеть на карте Московского метрополитена. Первоначально его рисунок появился в радиально-анизотропном поле, но со временем некоторые линии метро удлинялись, опережая расширение города, и их концы оказались у его границы. Поэтому они стали разворачиваться назад, туда, где потенциал (потребность в них) выше.

Каждый охотник желает знать

Из множества природных вариантов мы рассмотрели всего две схемы возникновения рисунков. В первой элементы появляются в точке касания потенциального рельефа пороговым, после чего в примыкающей области происходит разгрузка потенциала, и появление других элементов здесь исключается. Во втором варианте понятием порога мы не оперировали, а первоначальное появление линейных элементов задавалось. Развивались эти элементы в соответствии с потенциальным полем, разгружая его вокруг себя. Теперь рассмотрим вариант, когда элемент появляется при условии Е = Р, но разгрузка происходит лишь в точке касания, т. е. как только где-то выполняется условие Е = Р, тут же скачком в этой точке потенциальный рельеф обрушивается до нулевого уровня. Допустим, пороговый и потенциальный рельефы горизонтальны. В этом случае, как только выполнится условие Е = Р, на всем пространстве произойдет обрушение рельефа — разгрузка потенциала. Наше пространство можно раскрасить в зависимости от значений потенциала. Допустим, при E = 0 пространство белое, а при Е → Р оно плавно темнеет. Тогда только что описанный процесс будет выглядеть так: все пространство становится темнее и темнее, а затем разом белеет. Пространственной структуры не возникает. Если процесс наращивания потенциала задать непрерывным, то сразу после обрушения потенциальный рельеф вновь начнет воздыматься и через какое-то время опять выполнится условие Е = Р — система будет находиться в колебательном режиме — чем выше скорость наращивания потенциала, тем выше частота колебаний.

Теперь зададим неоднородные условия — выпуклый потенциальный рельеф, например в виде конуса (чем ближе к вершине, тем темнее). В этом случае разгрузка потенциала произойдет в его вершине — здесь образуется кратер (белое пятно), а затем при дальнейшем воздымании и расширении этого поднятия область разгрузки (пятно) будет расширяться. Чем положе рельеф и чем быстрее он воздымается, тем выше скорость расширения. Одновременно с этим в разгруженной части пространства значения потенциала вновь будут наращиваться (центр пятна вновь начнет темнеть), и в какой-то момент в центре рассматриваемой области опять выполнится условие Е = Р и т. д. В итоге возникнет структура из параллельных непрерывно расходящихся контрастных колец. Чем круче наклон первичного потенциального рельефа, тем меньше будет расстояние между кольцами. На рис. 134 показана динамика развития этой структуры в одномерном варианте (в разрезе).

Рис. 134

Подобный механизм можно проиллюстрировать известным явлением возникновения структур при ветровом повале леса. В районах с частым повторением сильных ветров деревья, как только они достигнут определенной высоты, не выдерживают их напора. Такие леса развиваются в колебательном режиме — после ветроповала лес восстанавливается и, достигнув критической высоты, вновь гибнет. Если же условия произрастания деревьев неоднородны в пространстве, то лесной массив состоит из разновозрастных медленно смещающихся полос зеленых деревьев, разделенных бурыми полосами бурелома.

Близкий пример — образование расходящихся волн лишайников на камне. Пятно лишайника разрастается. Со временем его центральная (старая) часть отмирает и образуется расширяющееся кольцо, затем в его центре возникает новое пятно лишайника и т. д. По этой же схеме возникают грибные «ведьмины» кольца.

Теперь представим ситуацию, когда Е может быть и больше и меньше Р. При Е = Р разгрузки потенциала не происходит, а меняется лишь качественное состояние территории, меняется ее «цвет». Если пороговый и потенциальный рельефы горизонтальны, то вся территория одновременно в момент достижения условия Е => Р перейдет в новое качественное состояние — изменит цвет. Если же пороговый или потенциальный рельеф расчленен (рис. 135), то к какому-то моменту на отрезках ab и cd поверхность будет находиться в одном качественном состоянии, а на отрезке bc — в другом. Появилась простейшая структура. Пример из этой серии — возникновение водоемов. Поверхность становится обводненной, когда уровень грунтовых вод (Е) превышает уровень земли (Р). Контур голубых водоемов и в природе и на карте соответствует линии, на которой выполняется условие Е = Р.

Зададим несколько пороговых уровней и соответственно несколько качественных состояние Р1<Р2<Р3. Пусть состояние Р<Р1 имеет желтый цвет, Р1<Р<Р2 — зеленый, Р2<Р<Р3 — салатный, Р3<Р — белый. При горизонтальных рельефах (при равномерных условиях) вся область будет находиться в каком-то одном состоянии, пространственной структуры не будет. Если же задать наклонный потенциальный рельеф, например в виде конуса, в вершине которого Е>Р3, то получим пространственную структуру, состоящую из вложенных цветных колец (рис. 136). А если этот конус рассечен пятью спускающимися с него глубокими лощинами, то мы получим рисунок из вписанных друг в друга цветных пятиконечных звезд. Простейший пример рисунков, выполненных в такой манере, — высотная поясность. Как только высота (E) достигает уровня Р1 — желтые степи сменяются зеленым лесом, на уровне Р2 проходит граница между лесом и альпийскими лугами, а на уровне Р1 — граница белых вечных снегов.

Рис. 135

Рис. 136

Другой пример — цветные разводы на мыльном пузыре или на разползшемся по воде пятне от капли горючего. Е в данном случае — толщина пленки, а уровни Р задаются длиной световых волн, соответствующих цветам солнечного спектра. Если толщина пленки везде одинакова, то рисунок одноцветный. Если же она меняется, то появляется последовательное многоцветие. Как видим, наши Е и Р применимы не только для линий и точек.

Живые рисунки

Какую технику использует живая природа, когда создает свои рисунки и формы?

Развитие организмов подчиняется генетической программе, но вряд ли в ней заложены координаты всех атомов, всех клеток и органов организма. Это нерационально. У живой природы есть простые алгоритмы.