Strukturbildung und Selbstorganisation weit weg eisele/lehrer/... H. Meinhard: The Algorithmic...

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  • Strukturbildung und Selbstorganisation weit weg vom Gleichgewicht Heinz Horner Inst. f. Theor. Physik Uni Heidelberg horner@tphys.uni-heidelberg.de

    13. Okt. 2007

    Literatur: H. Meinhard: Models of biological pattern formation, Academic Press, London (1982)

    frei erhältlich unter http://www.eb.tuebingen.mpg.de/meinhardt

    H. Meinhard: The Algorithmic Beauty of Sea Shells, Springer, Heidelberg (2003)

    H. Haken: Synergetics, an introduction, Springer, Heidelberg (1977/1983) Advanced synergetics, Springer, Heidelberg (1983/1987)

    mailto:horner@tphys.uni-heidelberg.de mailto:horner@tphys.uni-heidelberg.de http://www.eb.tuebingen.mpg.de/meinhardt http://www.eb.tuebingen.mpg.de/meinhardt

  • Energie- und Entropiebilanz der Erde

    Sonne

    240 W/m2

    240 W/m2

    T = 270 K

    T = 5000 K

    S = Q/T

    Sout ≈ 20Sin

  • Direkte Entropieerzeugung (z.B. Wärmeleitung)? langsam!

    Energiekaskade –> Strukturbildung –> (belebte Natur) –> .... –> Dissipation Maximale Entropieproduktion?

    Beispiele: Konvektion Musterbildung in der belebten Natur

  • Konvektion, Taylor-Instabilität

    Abfolge der Muster: Laminare Strömung –> Gerade Rollen –> Gewellte Rollen –> Gerade turbulente Rollen

    ∂t"u(r, t) = (

    "u(r, t)·∇ )

    "u(r, t) − ∇ (

    "u(r, t)·"u(r, t) )

    +ν∆"u(r, t)

    Dissipation Konvektion (nichtlinear)

    Navier-Stokes-Gleichung

    Turbulente Strömung:

    Energiekaskade von großen zu kleinen Längenskalen Energiedissipation auf kleinster Skala

  • Flussinstabilität (viscous fingering)

    3

    Interessant ist noch, daß die Strukturbildung teil- weise reversibel ist. Das heißt, wenn man den Kol- ben der Spritze wieder ein wenig zurückzieht, wird die Flüssigkeit aus den bereits gebildeten Kanälen in die Spritze zurückgezogen, und die andere Flüs- sigkeit nimmt diesen Bereich ein.

    Um die entstehenden Muster in den verschiedenen Wachstumsphasen zu dokumentieren, kann die He- le- Shaw- Zelle von unten ausgeleuchtet und von oben fotografiert werden. Beim Auseinanderziehen der Platten werden die Strukturen übrigens nicht so- fort zerstört, sondern durchlaufen andere, teilweise ebenfalls interessante Muster, die eine eigene Be- trachtung wert wären. Sie kommen dadurch zustan- de, daß mit der Trennung der Platten Luft in den mit den Flüssigkeiten ausgefülten Zwischenraum ein- dringt. Dieser Vorgang erfolgt nach einem ganz ähnlichen Durchdringungsmechanismus wie bei den

    Flüssigkeiten. Der äußere Luftdruck treibt von den Seiten beginnend fein verästelte "Kanäle" in die Flüssigkeitschicht, wodurch das Flüssigkeitsfraktal durch ein Gas- Flüssigkeitsfraktal überlagert wird.

    Sehr schöne solcher Muster lassen sich übrigens mit Hilfe von verschiedenen Fetten, also extrem visko- sen Flüssigkeiten zwischen zwei Platten erzeugen. Sie haben den Vorteil, nach Trennung der Platten erhalten zu bleiben. Vorformen solcher Fettfraktale kann man zuweilen beim Frühstück kennenlernen, wenn man beispielsweise zwei mit Butter bestriche- ne "zusammengeklappte" Scheiben Brot wieder auseinanderzieht, weil man den Aufschnitt verges- sen hat.

    Beispiele

    Im folgenden werden einige Beispiele von viskosen Verästelungen dokumentiert. Die Bilder sind ge- scannte Fotografien von Hele- Shaw- Mustern.

    In Abb. 2 sind vier verschiedene Wachstumsstadien eines fraktalen Musters dargestellt, wie es sich typi- scherweise ausbildet, wenn man zunächst flüssige Seife zwischen die Platten preßt und anschließend (z.B. mit Kaliumpermanganat gefärbtes) Wasser in- jiziert. Die Selbstähnlichkeit von Bildausschnitten ist auffallend. In Abb. 3 sind zwei Wachstumsstadi- en von gefärbtem Wasser in Rizinusöl dargestellt.

    Auch hier ist die Selbstähnlichkeit der beiden Bilder auffallend. Ohne es im einzelnen genau beschreiben zu können, fällt sofort der Unterschied zu den Flüs- sige-Seife-Wasser- Fraktalen in Abb. 2 auf. Ganz allgemein kann man feststellen, daß die Zerklüftung dieses Fraktals weniger ausgeprägt ist als in Abb. 2.

    Injiziert man Wasser in Olivenöl, so ergeben sich fraktale Strukturen, die in ihrem Zerklüftungsgrad den Rizinus-Wasser- Fraktalen ähneln. Darin drückt sich die Tatsache aus, das sich die Viskositäten von Rizinusöl und Olivenöl nur geringfügig unterschei- den.

    Schließlich sei das Verästeln am Beispiel einer sehr

    Bild 2: Verschiedene Wachstumsstadien von Hele- Shaw- Fraktalen, die bei der Injektion von gefärbtem Wasser in flüssige Seife entstehen. Auffallend ist die strukturelle Ähnlichkeit zwischen den einzelnen Bildern. Wenn der Versuch mit neuen Flüssigkeiten wiederholt werden soll, wird die Hele- Shaw- Zelle auseinanderge- schraubt, sorgfältig von den Flüssigkeitsresten gereinigt und anschließend wieder zusammengeschraubt.

    Bild 3: Zwei Wachstumsstadien der Entwicklung eines Hele- Shaw- Fraktals, das durch Injektion von gefärbten Wasser in Rizinusöl entsteht. Bild 4 Zwei Wachstumsstadien eines Hele- Shaw- Frak-

    tals, das durch Injektion von Wasser in Olivenöl entsteht. Die Ähnlichkeit mit den Rizinus- Olivenöl- Fraktalen aus Abb. 3 bringt die Ähnlichkeit der Viskositäten der Öle zum Ausdruck.

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  • Strukturbildung, Gierer Meinhard Modell

    ∂tA(x, t) = − (

    A(x, t) − Ao )

    + A(x, t)2

    B(x, t) + DA∂

    2

    x A(x, t)

    ∂tB(x, t) = −C B(x, t) + A(x, t) 2 + DB∂

    2

    x B(x, t)

    Aktivator (autokatalytisch)

    Inhibitor (aktiviert durch )

    Reaktions-Diffusionsgleichungen (nichtlinear)

    A

  • Strukturbildung, Gierer Meinhard Modell

    ∂tA(x, t) = − (

    A(x, t) − Ao )

    + A(x, t)2

    B(x, t) + DA∂

    2

    x A(x, t)

    ∂tB(x, t) = −C B(x, t) + A(x, t) 2 + DB∂

    2

    x B(x, t)

    Aktivator (autokatalytisch)

    Inhibitor (aktiviert durch )

    Reaktions-Diffusionsgleichungen (nichtlinear)

    A

    Ohne Diffusion (durchmischt):

    Zeitlich periodisch, Grenzzyklus

  • Strukturbildung, Gierer Meinhard Modell

    ∂tA(x, t) = − (

    A(x, t) − Ao )

    + A(x, t)2

    B(x, t) + DA∂

    2

    x A(x, t)

    ∂tB(x, t) = −C B(x, t) + A(x, t) 2 + DB∂

    2

    x B(x, t)

    Aktivator (autokatalytisch)

    Inhibitor (aktiviert durch )

    Reaktions-Diffusionsgleichungen (nichtlinear)

    A

    Mit Diffusion:

    Räumliche Muster: Gradient DB > DA

  • Strukturbil