Понятие о диссипативных структурах (ячейки Бенара, вихри Тейлора). Их основные свойства

Диссипативные структуры – устойчивые пространственно-неоднородные структуры, возникающие в результате развития неустойчивостей в однородной неравновесной диссипативной среде.

Ячейки Бенара или Рэлея — Бенара — возникновение упорядоченности в виде конвективных ячеек в форме цилиндрических валов или правильных шестигранных структур в слое вязкой жидкости с вертикальным градиентом температуры, то есть равномерно подогреваемой снизу.

Управляющим параметром самоорганизации служит градиент температуры. Вследствие подогрева в первоначально однородном слое жидкости начинается диффузия из-за возникшей неоднородности плотности. При преодолении некоторого критического значения градиента, диффузия не успевает привести к однородному распределению температуры по объёму. Возникают цилиндрические валы, вращающиеся навстречу друг другу (как сцепленные шестерёнки). При увеличении градиента температуры возникает второй критический переход. Для ускорения диффузии каждый вал распадается на два вала меньшего размера. При дальнейшем увеличении управляющего параметра валы дробятся и в пределе возникает турбулентный хаос, что отчетливо видно на бифуркационной диаграмме или дереве Фейгенбаума.

В тонком слое при подогреве снизу образуются ячейки правильной гексагональной формы, внутри которых жидкость поднимается по центру и опускается по граням ячейки. Такая постановка эксперимента исторически была первой, однако здесь на самом деле наблюдается конвекция Марангони, возникающая за счёт действия сил поверхностного натяжения и зависимости их от температуры жидкости.

Вихрь Тейлора является цилиндром, в котором элементарные вихри катятся по цилиндрическим кольцам, не имея возможности перебраться из одного кольца в другое. Поэтому вихрь Тейлора способен катиться только на боку. Вихри Тейлора используют рыбы и птицы для организации плавания и полёта. Вихрями Тейлора являются тайфуны, цунами и солитоны. Вихревые же волны в природе подобны вихрю Тейлора. И возникают они прежде всего на поверхности тела, двигающегося в водной или в воздушной среде.