Автоволны

Автоволны — самоподдерживающиеся волны в активных (содержащих источники энергии) средах. Термин в основном применяется к процессам, где волной переносится относительно малая доля энергии, необходимая для синхронизации или переключения активной среды. Простейшая повседневная модель автоволны — ряд костяшек домино, которые последовательно падают, если уронить крайнюю (принцип домино).

Нервный импульс, служащий типичным примером автоволны в активной среде с восстановлением, изучался Гельмгольцем ещё в 1850 г Свойства нервного импульса, типичные для автоволн (универсальная форма и амплитуда, не зависящие от начальных условий, и аннигиляция при столкновениях) были установлены в 20-х и 30-х годах XX века.

Представьте себе, что Вы встали на поле и поджигаете траву. Пока температура ниже порогового значения, трава не загорается. При достижении температуры воспламенения трава начинает гореть, выделяя при этом дым. Если дыма много, то процесс горения замедляется, а на некоторых участках прекращается вообще. Когда дым рассеивается, трава снова приобретает способность воспламеняться. В результате образуется фронт огня, который бежит по полю. При этом говорят, что возникла автоволна, — один из результатов самоорганизации в термодинамически активных неравновесных системах. Это самоподдерживающийся волновой процесс, существующий в нелинейных средах, содержащих распределенные источники энергии. Период, длина волны, скорость распространения, амплитуда и другие характеристики автоволны определяются исключительно локальными свойствами среды.

Кроме движения фронта горения к автоволновым процессам относятся колебательные химические реакции в активных средах (реакция Белоусова-Жаботинского), распространение импульса возбуждения по нервному волокну, волны химической сигнализации в колониях некоторых микроорганизмов, автоволны в сегнетоэлектрических и полупроводниковых пленках, популяционные автоволны, распространение эпидемий и генов, автоволна последовательного падения фишек домино и некоторые другие явления.

Рассмотрим двумерную активную среду, состоящую из элементов, каждый из которых может находиться в трех различных состояниях: покое, возбуждении и рефрактерности. При отсутствии внешнего воздействия элемент находится в состоянии покоя. В результате воздействия, когда концентрация активатора достигнет порогового значения, элемент переходит в возбужденное состояние, приобретая способность возбуждать соседние элементы. Через некоторое время после возбуждения элемент переключается в состояние рефрактерности, находясь в котором он не может быть возбужден. Затем элемент сам возвращается в исходное состояние покоя, снова приобретая способность переходить в возбужденное состояние. Передний фронт автоволны (переход из покоя в состояние возбуждения) очень мал: для ткани сердца отношение длительности фронта ко всему импульсу примерно 1:330. Волна возбуждения движется по возбудимой среде без затухания, сохраняя постоянной форму и амплитуду. При её прохождении энергетические потери (диссипация) полностью компенсируются за счет подвода энергии от элементов среды.

Уникальные возможности для исследования автоволновых процессов в двух- и трёхмерных активных средах с самой различной кинетикой предоставляют методы математического моделирования с использованием компьютеров. Для компьютерного моделирования автоволн используют обобщенную модель Винера-Розенблюта.

Автоволны часто рассматриваются в химических и биологических системах. Примером химической реакции, создающей автоволну, является реакция Белоусова—Жаботинского.

Литература

• Колебания и бегущие волны в химических системах. Ред. Р.Филд и М. Бургер. М., «Мир», 1988 /Oscillations and traveling waves in chemical systems. Ed. by R.J.Field and M.Burger. 1985 by John Wiley and Sons, Inc. (Engl)/
• Жаботинский А. М. Концентрационные автоколебания, М.,1974
• В. В. ОСИПОВ Простейшие автоволны, Соровский образовательный журнал, http://journal.issep.rssi.ru/articles/pdf/9907_115.pdf
• Физическая энциклопедия т. 1 п/р А. М. Прохорова, М., Советская энциклопедия,1988, 704c.
• Васильев В. А., Романовский Ю. М., Яхно В. Г. Автоволновые процессы — М.: Наука, 1987. — 240 с.
• Заславский Г. М., Сагдеев Р. З. Введение в нелинейную физику: От маятника до турбулентности и хаоса. — М.: Наука, 1988. — 368 с.
• Лоскутов А. Ю., Михайлов А. С. Введение в синергетику: Учеб. руководство. — М.: Наука, 1990. — 272 с.
• Шелепин Л. А. Вдали от равновесия. — М.: Знание, 1987. — 64 с.

См. также

• Фазовая скорость
• Резонанс
• Стоячая волна
• Автоколебание

Ссылки

Для улучшения этой статьи желательно?: Добавить иллюстрации. Исправить статью согласно стилистическим правилам Википедии.