Предмет синергетики
       6. Примеры образования диссипативных структур

     6.1. Переход ламинарного течения в турбулентное

     Рассмотрим примеры образования пространственных и временных структур в процессах самоорганизации.
     Рассмотрим течение жидкости в трубопроводе при различных условиях. При термодинамическом равновесии система находится в покое (см. рисунок вверху); если система замкнута, то её энтропия максимальна. При создании градиента давления равновесие будет нарушено, и вода начнёт перемещаться в сторону меньших давлений. Если скорость движения воды меньше некоторого критического значения, течение будет ламинарным (см. рисунок в середине), т.е. вода будет перемещаться как бы слоями, параллельными направлению течения. В этом случае потоки и термодинамические силы связаны линейными соотношениями. Если скорость движения воды превысит некоторое критическое значение, то поток станет турбулентным (см. рисунок внизу). В этом состоянии, соответствующем большим отклонениям от равновесия, необходимо уже учитывать нелинейность, вызванную резко возросшими диссипативными процессами.
     Описание перехода к турбулентности в гидродинамических течениях является проблемой классической физики. Картина возникновения турбулентности была предложена академиком Л. Ландау в 1944 г. Зарождение турбулентности по мере увеличения скорости (или числа Рейнольдса Re) происходит следующим образом. При малых Re существует единственная стационарная картина течения, соответствующая ламинарному движению. Небольшие отклонения в скорости движения от стационарных значений, которые всегда существуют вследствие флуктуаций, экспоненциально затухают во времени. При превышении критического значения скорости (или критического значения Re) некоторые из малых возмущений перестают затухать. Система теряет устойчивость и переходит в новый режим. В этом
случае говорят о первой бифуркации (термин бифуркация буквально означает раздвоение и употребляется в широком смысле для обозначения всевозможных качественных изменений в системе). При дальнейшем увеличении Re новый периодический режим опять становится неустойчивым, возникают незатухающие колебания с другой частотой и т.д. (см. рисунок). Ландау предположил, что если двигаться от стационарного течения при малых Re в область их увеличения, то интервалы между значениями Re, соответствующими последовательному появлению новых частот, быстро сокращаются.
     Таким образом, согласно схеме Ландау нерегулярное поведение, типичное для турбулентного движения, есть результат бесконечного каскада бифуркаций. В данном случае хаотический режим имеет свою внутреннюю упорядоченность, которая проявляется при исследовании деталей хаотической динамики.