Волновые процессы реферат биофизика

Обновлено: 07.07.2024

Теория волновых процессов – область науки, исследующая волновые явления различной природы.
С волновыми процессами человек встречается постоянно. Существует большое многообразие волновых процессов: волны, порождаемые землетрясениями, звуковые волны, распространяющиеся в воздухе, волны механических колебаний в натянутых струнах музыкальных инструментов или в кристаллах кварца, используемые для стабилизации частоты радиопередатчика, электромагнитные волны, излучаемые антенной, и многие-многие другие. Несмотря на большое разнообразие, в колебательных процессах наблюдаются одни и те же закономерности, которые описываются одинаковыми математическими и физическими моделями и исследуются общими методами.
Волновые процессы весьма распространены в окружающем нас мире. Мы можем встретиться с волнами повсюду в нашей повседневной жизни. Естественно, это делает их весьма привлекательными для наблюдения и изучения их сущности и свойств.

Содержание

Введение4
1 Волновые процессы5
1.1 Механические волны5
1.2 Волны на поверхности жидкости7
1.3 Электромагнитные волны8
2 Применение волновых процессов в современных технологиях13
2.2 Ультразвук и его использование16
Заключение18
Список литературы21

Работа содержит 1 файл

Курсовая работа по ТОПТу.docx

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

Кафедра оборудования и технологии сварочного производства

Выполнил: студентка группы МП-101 В. Ю. Терёхина

Руководитель:_________________ __В. Ф.Селиванов

1 Волновые процессы

1.1 Механические волны

1.2 Волны на поверхности жидкости

1.3 Электромагнитные волны

2 Применение волновых процессов в современных технологиях

2.2 Ультразвук и его использование

Теория волновых процессов – область науки, исследующая волновые явления различной природы.

С волновыми процессами человек встречается постоянно. Существует большое многообразие волновых процессов: волны, порождаемые землетрясениями, звуковые волны, распространяющиеся в воздухе, волны механических колебаний в натянутых струнах музыкальных инструментов или в кристаллах кварца, используемые для стабилизации частоты радиопередатчика, электромагнитные волны, излучаемые антенной, и многие-многие другие. Несмотря на большое разнообразие, в колебательных процессах наблюдаются одни и те же закономерности, которые описываются одинаковыми математическими и физическими моделями и исследуются общими методами.

Волновые процессы весьма распространены в окружающем нас мире. Мы можем встретиться с волнами повсюду в нашей повседневной жизни. Естественно, это делает их весьма привлекательными для наблюдения и изучения их сущности и свойств.

На мой взгляд, просто необходимо рассказать о различных волновых процессах, упругих и электромагнитных волнах, об использовании волновых процессов в современных технологиях, так как это играет немаловажную роль в нашей жизни.

Цель данной курсовой работы состоит в том, чтобы познакомиться с понятием волн и волновых процессов, проанализировать использование их в современных технологиях. С учетом специфики данной темы и круга затронутых вопросов структура работы позволяет последовательно ответить в первой на теоретические вопросы, а во второй узнать практическое использование волновых процессов в технологиях.

1 Волновые процессы

1.1 Механические волны

Среда называется упругой, если между ее частицами существуют силы взаимодействия, препятствующие какой-либо деформации этой среды. Если какое-либо тело совершает колебания в упругой среде, то оно воздействует на частицы среды, прилегающие к телу, и заставляет их совершать вынужденные колебания. Среда вблизи колеблющегося тела деформируется, и в ней возникают упругие силы. Эти силы действуют на все более удаленные от тела частицы среды, выводя их из положения равновесия. Постепенно все частицы среды вовлекаются в колебательное движение. Волнами называются всякие возмущения состояния вещества или поля, распространяющиеся в пространстве с течением времени. Например, звуковые волны в газах или жидкостях представляют собой колебания давления, распространяющиеся в этих средах.

Упругими волнами называются механические возмущения (деформации), которые распространяются в упругой среде. Тела, вызывающие эти возмущения в среде, называются источниками волн (колеблющиеся камертоны, струны музыкальных инструментов и т. д.). Упругие волны называются звуковыми или акустическими, если соответствующие им механические деформации среды имеют малые амплитуды.

Отличие упругих волн в среде от любого другого упорядоченного движения ее частиц состоит в том, что распространение волн не связано с переносом вещества среды из одного места в другое на большие расстояния.

Волновой поверхностью (фронтом волны) называется совокупность точек среды, колеблющихся в одинаковых фазах. На волновой поверхности фазы колебаний различных точек в рассматриваемый момент времени имеют одно и то же значение.

Лучом называется линия, касательная к которой в каждой точке совпадает с направлением распространения волны. В однородной изотропной среде луч является прямой, перпендикулярной к фронту волны и совпадает с направлением переноса энергии волны.

В плоской волне волновыми поверхностями являются бесконечные плоскости, перпендикулярные к направлению распространения волны. Лучами являются параллельные прямые, совпадающие с направлением скорости распространения волны. Такие волны могут быть получены на поверхности воды с помощью колебаний очень длинного плоского стержня.

Волна называется поперечной, если частицы среды колеблются в направлениях, перпендикулярных к направлению распространения волны. Например, поперечная волна распространяется вдоль натянутого резинового шнура, один конец которого закреплен, а другой приведен в колебательное движение.

Волна называется продольной, если колебания частиц исходят в направлении распространения волны. Продольная волна возникает в длинной спиральной пружине, если один конец подвергается периодически внешнему воздействию. Упругая волна представляет собой распространяющиеся вдоль пружины последовательные сжатия ее, периодически через время T/2 сменяющие друг друга (Т - период внешнего воздействия на пружину).

В газах и жидкостях, которые не обладают упругостью формы, распространение поперечных волн невозможно. В твердых телах возможно распространение как продольных, так и поперечных волн, связанных с наличием упругости формы (например, волны, распространяющиеся вдоль струн музыкальных инструментов).

1.2 Волны на поверхности жидкости

Волны на поверхности жидкости, волны, возникающие и распространяющиеся по свободной поверхности жидкости или на поверхности раздела двух несмешивающихся жидкостей. Волны на поверхности жидкости образуются под влиянием внешнего воздействия, в результате которого поверхность жидкости выводится из равновесного состояния (например, при падении камня). При этом возникают силы, восстанавливающие равновесие: силы поверхностного натяжения и тяжести. В зависимости от природы восстанавливающих сил волны на поверхности жидкости подразделяются на: капиллярные волны, если преобладают силы поверхностного натяжения, и гравитационные, если преобладают силы тяжести. В случае, когда совместно действуют силы тяжести и силы поверхностного натяжения, волны называются гравитационно-капиллярными. Влияние сил поверхностного натяжения наиболее существенно при малых длинах волн, сил тяжести — при больших.

Скорость с распространения волн на поверхности жидкости зависит от длины волны l. При возрастании длины волны скорость распространения гравитационно-капиллярных волн сначала убывает до некоторого минимального значения

а затем вновь возрастает (s — поверхностное натяжение, g — ускорение силы тяжести, r — плотность жидкости). Значению c₁ соответствует длина волны

При l > l₁ скорость распространения зависит преимущественно от сил тяжести, а при l (3)

описывающим распространение плоских монохроматических электромагнитных волн:

Е = E0 cos (kr — wt + j) (4)

Н = H0 cos (kr — wt + j) (5)

Здесь e — диэлектрическая проницаемость, mÑ — магнитная проницаемость среды, E0 и H0 — амплитуды колебаний электрических и магнитных полей, w — частота этих колебаний, j — произвольный сдвиг фазы, k — волновой вектор, r — радиус-вектор точки; Ñ2 — Лапласа оператор.

Если среда неоднородна или содержит поверхности, на которых изменяются её электрические либо магнитные свойства, или если в пространстве имеются проводники, то тип возбуждаемых и распространяющихся электромагнитных волн может существенно отличаться от плоской линейно-поляризованной волны. Электромагнитные волны могут распространяться вдоль направляющих поверхностей (поверхностные волны), в передающих линиях и в полостях, образованных хорошо проводящими стенками.

Характер изменения во времени Е и Н определяется законом изменения тока I и зарядов e, возбуждающих электромагнитные волны Однако форма волны в общем случае не следует I (t) или e (t). Она в точности повторяет форму тока только в случае, если и электромагнитные волны распространяются в линейной среде (электрические и магнитные свойства которой не зависят от Е и Н). Простейший случай — возбуждение и распространение электромагнитных волн в однородном изотропном пространстве с помощью диполя Герца (отрезка провода длиной l (6)

При наличии дисперсии скорость переноса энергии с (групповая скорость) может отличаться от v. Плотность потока энергии S, переносимой электромагнитными волнами, определяется Пойнтинга вектором: S = (с/4p) [ЕН]. Т. к. в изотропной среде векторы Е и Н и волновой вектор образуют правовинтовую систему, то S совпадает с направлением распространения электромагнитных волн. В анизотропной среде (в том числе вблизи проводящих поверхностей) S может не совпадать с направлением распространения электромагнитных волн.

При взаимодействии среды с физическими полями и упругими материальными объектами, в средах возникают возмущения. Одним из таких возмущений являются волны.

Волны представляют собой изменения состояния среды (возмущения), распространяющиеся в этой среде и несущие с собой энергию, без переноса вещества. Математически процесс распространения волн описывается с помощью волнового уравнения. В наиболее общем виде волновое уравнение записывается:

 (1.)

Где t-время; x, y, z –пространственные декартовые координаты, W=W(x,y,z,t)-функция возмущения среды в точке с координатами x,y,z в момент времени t, с- параметр, характеризующий скорость, которая в предельном случае достигает скорости света, - оператор Д’Аламбера (даламбериан); Δ- оператор Лапласа (лапласиан).

Частными видами волнового уравнения является двухмерное и одномерное волновые уравнения. Волновое уравнение допускает разделение переменных по координатам и времени: W=W(x, y, z,) φ(t). В представленном виде волновое уравнение называют неоднородным, т.к. в его правой части стоит заданная функция координат и времени, т.е. W=f(x,y,z,t).

Для рассмотрения задач квантовой механики, изучающей законы движения частиц в области микромира (в масштабах- 10 -6 -10 -13 см. со скоростями как меньше v 2 точное решение уравнения Шредингера принципиально невозможно. Запишем выражение для потенциальной энергии атома гелия:

(3.)

Здесь Z=2, заряд ядра; первые два числа учитывают притяжение первого и второго электрона ядром, третий член выражает часть потенциальной энергии, обусловленной взаимным отталкиванием электронов. Для многоэлектронных атомов с числом электронов больше двух точное решение уравнения Шредингера невозможно, поскольку в гамильтониан H полной энергии атома с n электронами и соответствующим зарядом ядра:

(4.)

входят не только оператор кинетической энергии и оператор потенциальной энергии для электронов, притягиваемых ядром, но и оператор энергии отталкивания электронов друг от друга. Так как последний оператор имеет противоположный знак, исключается возможность разделения переменных и становится принципиально невозможным точное решение уравнения Шредингера для многоэлектронных атомов.

Все дальнейшие попытки рассмотрения квантово механических многоэлектронных систем основано на использовании различных приближений методов и моделей. Наибольшее распространение получила модель водородоподобных атомов. На основе этой модели в одноэлектронном приближении для многоэлектронных атомов рассматривается взаимодействие одного внешнего электрона с ядром, заряд которого экранирован всеми остальными внутренними электронами. Подчеркнем, что в данной модели предполагается, что остальные электроны равномерно экранируют заряд ядра во всех направлениях. Константе экранирования σ учитывает это экранирование:

В этой модели соответствующие орбитали отличаются от орбиталей атома водорода радиальными составляющими R(r), но имеют идентичные угловые составляющие V_e _, _m и следовательно формы s-,p-,d-,f- орбиталей будет такой же как и у атома водорода. Этот расчет многоэлектронных атомов, основанный на работах Слетера, называется водородоподобным. Дальнейшее более точное приближение основано на работах Хартри и Фокса. В этом приближении учитывается усредненное отталкивание одного данного электрона от каждого из остальных электронов. Волновые функции атома в методе Хартри-Фокс представляют собой произведение водородоподобных волновых функций.

2. Волны и скорости волн

2.1Основные положения. Понятие волны.

Волной называют распространение возмущения в непрерывной среде. Волна

может распространяться также в пространственно периодической структуре, т.е. в твердом теле.

Волну представляют как возмущение в пространстве и времени, т.е. заданием возмущения как функции координат r =c временем t.

Скалярное возмущение w=w(r,t). Векторное возмущение W=W(r,t).

Волны бывают различными и могут распространяться в различных случаях:

1) В случае одновременной волны вдоль струны средой является упругая струна. Возмущению отвечает отклонение струны.

2) Поверхностная волна может возникнуть в среде, которой является двумерная поверхность жидкости или кристалла. Возмущение представляет собой отклонение частиц жидкости или атомов твердого тела на поверхности от их положения равновесия.

3) Известны звуковые или акустические волны. Они могут распространяться в веществах, находящихся в различных агрегатных состояниях: газообразном, жидком, твердом.

Возмущение в этом случае представляет собой локальные изменения давления. Оно определяется средним локальным смещением атомов или молекул. В абсолютно твердом теле звуковые волны невозможны.

4) Электромагнитные волны могут распространяться в следующих случаях: вакууме, газе, жидкости и твердом теле. В этом случае возмущение представляет собой изменяющееся во времени электрическое и магнитное поля.

5) Волна может распространяться вдоль линейной цепочки. В этом случае

средой является линейно упорядоченное расположение идентичных

материальных точек m, расположенных на равных расстояниях и взаимодействующих друг с другом. Это взаимодействие задают коэф. жесткости. Возмущение представляет собой смещение этих точек вдоль цепочки.

Волна распространяется в среде как возмущение, обусловленное взаимодействием между частицами или возникающими локальными возмущениями. В большинстве случаев волна переносит энергию.

Различают продольные и поперечные волны. У поперечных волн возмущение перпендикулярно к направлению распространения волны (волны в струне, электромагнитные волны в вакууме, поверхностные волны). У поперечных волн в трехмерных средах имеют место поляризационные эффекты. В продольных волнах (например, звуковые волны в жидкостях и газах) возмущение параллельно направлению распространения. Поляризационных явлений в этих волнах нет. Различие продольных и поперечных волн в трехмерных средах следующие:

продольные волны: rotw(r,t)=0;

В кристаллах могут распространяться электромагнитные и акустические волны, содержащие как продольные, так и поперечные компоненты.

2.2 Фазовая и групповая скорости.

Фазовая и групповая скорости волны обозначаются соответственно U и Ur. Они принципиально отличаются друг от друга.

Фазовая скорость и характеризует скорость распространения гармонической волны (синусоидальной или косинусоидальной).

Распространение локального возмущения импульсного типа (волнового пакета) характеризуют групповой скоростью U_r . Она соответствует скорости, с которой переносится энергия в волне и передается сигнал.

Максимальная групповая скорость соответствует скорости света в вакууме.

Если групповая скорость и фазовая скорость в какой-либо волне отличаются говорят о наличии дисперсии. Дисперсия (рассеяние) - зависимость фазовой скорости гармонической волны от ее частицы .

2.3 Гармонические волны

Введем математическую интерпретацию возмущения в одномерной гармонической волне (w(x,t)).

w(x,t)=W₀ cos(wt-kx-)= W₀ cos(2t-2)= W₀ cos(2t/T-2x/-)

W₀ -амплитуда; -фаза; w-круговая частота;

частота ; Т- период ; k- круговое волновое число ; - волновое число ; - длинна волны. При этом

;

Поясним рисунками для волн в фиксированном месте и в фиксированный момент времени .

t x

Волновая картина в фиксированном Волновая картина в фиксир-й

месте. момент времени

Гармонические волны периодичны в пространстве и времени

В фиксированном месте:

;

В фиксированный момент времени;

, ,

2.4. Фазовая скорость

Фазовая скорость и волны есть скорость распространения точек одинаковой фазы:

Эта скорость равна скорости гармонической волны. Фазовая скорость:

u=/k=

k=2 т.е.u=

t-kx- =const дифференцируем

U_Е =U_x /cos т.е. т.к. cos * (∆r)>+1/2[p A(r)].

Сумма диагональных элементов матрицы, представляющей симметричную линейную вектор-функцию ½ не зависит от выбора системы координат: она называется дивергенцией (расхождением) векторного поля а и обозначается diva :

diva =д P /дх+д Q /ду+д R /д z .

Вектор Р называется вихрем (ротором) поля а и записывается в виде:

rota =(д R /ду-д Q /д z ,дР/д z - R д/дх, д Q /дх-дР/ду );

Волновые процессы являются наиболее распространенными и, быть может, наиболее важными процессами в природе. Важными как объективно, с позиций их роли во всех природных явлениях, так и субъективно, с позиций оценки потенциала их практического использования человеком. Их распространенность определяется, во-первых, тем, что любые физические, химические, биологические и психические процессы сопровождаются электромагнитными (и не только) волновыми процессами. Во-вторых, существует широкий класс волновых процессов, которые непосредственно не связаны с веществом. В-третьих, элементарные частицы вещества принято рассматривать как волновые объекты.

Научное мышление, ограниченное строгими и не всегда справедливыми правилами не умножает сущностей без особой нужды и стремится к разумным обобщениям.

Процессы в физических, химических и биологических системах с позиций термодинамики принято подразделять на два класса. К первому классу относятся процессы в замкнутых системах. Они ведут к установлению равновесного состояния, которое при определенных условиях отвечает максимально возможной степени неупорядоченности. Современные представления о равновесном состоянии восходят к работам Больцмана и Гиббса, которые показали, что энтропия, введенная в термодинамику Клаузиусом, служит мерой неупорядоченности состояния системы. Н-теорема Больцмана и теорема Гиббса стали основными инструментами при разработке современной статистической теории неравновесных процессов. Н-теорема Больцмана была установлена на примере эволюции к равновесному состоянию в разреженном газе, когда описание системы проводится с помощью функции распределения (фазовой плотности) в шестимерном пространстве координат и импульсов. Это соответствует кинетическому уровню описания, когда распределение газа в шестимерном фазовом пространстве представляется в виде сплошной среды. Такое ограничение является, разумеется, весьма существенным, поскольку при этом не учитывается (по крайней мере явно) атомарно-молекулярное строение среды. Оно скрыто в понятиях физически бесконечно малого временного интервала и физически бесконечно малого объема, наличие которых (неявно) используют при построении кинетического уравнения Больцмана. Учет этого обстоятельства позволяет обобщить описание Больцмана, установить более общие уравнения и сформулировать соответствующее обобщение Н-теоремы Больцмана, которое для случая изолированной системы отражает эволюцию к равновесному состоянию. При этом энтропия системы монотонно возрастает и остается неизменной при достижении равновесного состояния. Этот результат был установлен Больцманом на примере разреженного газа. Классическая термодинамика создала предпосылки для возникновения представлений о динамических системах.

Ко второму классу относят процессы в открытых системах, в которых рассматриваются динамические системы - диссипативные структуры в терминологии Пригожина. Эволюцию в открытых системах через последовательность все более упорядоченных диссипативных структур рассматривают как процессы самоорганизации.

Пригожин положил начало новому принципу осмысления действительности. Этот принцип, допускающий во вселенной первичную динамическую неопределенность дает возможность выработать новое понимание многих процессов, включая эволюцию. По сути Пригожин явился родоначальником новых динамических представлений, на основе которых формировалась теория динамических систем.

В природе протекает множество так называемых неупорядоченных процессов. Любой из них в действительности частично упорядочен и подчиняется определенным законам. Одной из целей теории динамических систем - показать закономерности в системах, которые могут казаться непредсказуемыми.

Классическое естествознание объединяет ограничение предмета познания — это простые (замкнутые, изолированные, обратимые во времени) системы. Однако такое понимание предмета познания является сильной абстракцией. Вселенная представляет собой множество систем. Но лишь некоторые из них могут трактоваться как замкнутые системы, т.е. как “механизмы”. Во Вселенной таких “закрытых” систем, по-видимому, немного. Подавляющее большинство реальных систем -- открытые. Это значит, что они обмениваются энергией, веществом и (или) информацией с окружающей средой. К такого рода системам относятся, в частности, биологические и социальные системы.

Рассмотрим основные свойства неклассических систем — открытость, нелинейность, диссипативность. Эти свойства важны потому, что теория самоорганизации имеет дело с открытыми, нелинейными диссипативными и далекими от равновесия системами.

Открытые системы — это такие системы, которые поддерживаются в определенном состоянии за счет непрерывного притока извне вещества, энергии и (или) информации. Постоянный приток вещества, энергии или информации является необходимым условием существования неравновесных состояний. Открытые системы — это системы необратимые; в них важным оказывается фактор времени.

Нелинейность – одно из основных свойств динамических систем, которое заключается в невозможности их формального описания с помощью линейных уравнений.

Диссипативность – это свойство динамических систем, которое заключается в отличии от нуля функции прироста энтропии. Это макропроявление сложных микропроцессов, которое выглядит как рассеяние энергии или информации.

Самоорганизующиеся системы — это такие системы, которые поддерживаются в упорядоченном состоянии за счет непрерывного притока и оттока ресурсов энергии, информации и (или) вещества.

В узком смысле под динамической системой понимают любой объект или процесс, для которого однозначно определено понятие состояния как совокупности некоторых величин в данный момент времени, и задан закон, который описывает изменение начального состояния с течением времени. Этот закон позволяет по начальному состоянию прогнозировать будущее состояние динамической системы, и его называют законом эволюции. Описание несложных динамических систем может осуществляться с помощью дифференциальных уравнений.

Наука, занимающаяся изучением процессов самоорганизации и возникновения, поддержания, устойчивости и распада структур самой различной природы, еще далека от завершения и единой общепринятой терминологии (в том числе и единого названия всей теории). Синергетика - лишь одно из возможных, но далеко не единственное обозначение. Термин синергетика происходит от греческого синергена - содействие, сотрудничество. Предложенный Г. Хакеном, этот термин акцентирует внимание на согласованности взаимодействия частей при образовании системы как единого целого.

Главная идея синергетики — это идея о принципиальной возможности спонтанного возникновения порядка и организации из беспорядка в результате процессов самоорганизации. Решающим фактором самоорганизации является образование петли положительной обратной связи между системой и средой. При этом система начинает самоорганизовываться и противостоит тенденции ее разрушения средой. Например, в химии такое явление называют автокатализом. В неорганической химии автокаталитические реакции довольно редки, но, как показали исследования последних десятилетий в области молекулярной биологии, петли положительной обратной связи (вместе с другими связями — взаимный катализ, отрицательная обратная связь и др.) составляют саму основу жизни.

Временные последовательности изменения электрического потенциала, индуцированного сердечной деятельностью - электрокардиограммы, представляют собой в общем случае совокупность простых периодических и сложных квазихаотических процессов. Квазихаотическая компонента содержится как в динамике формы кардиограммы, так и в изменении частоты пульса - интервалах времени между последовательными ударами сердца.

Любой живой организм как динамическая система представляет собой иерархию относительно автономных динамических подсистем, в которой исходящие от верхнего уровня сигналы управления не имеют безальтернативного характера жестких команд, подчиняющих себе активность всех индивидуальных элементов более низких уровней. Вместо этого от высших уровней иерархии поступают сигналы, которые предопределяют переходы подсистем от одного режима функционирования к другому. Иерархическое устройство сложных живых систем, представляющих собой ансамбль связанных подсистем более простого строения, позволяет избежать неустойчивости и нежелательной динамики, которые неизбежно возникают в сложных системах с жестким централизованным управлением. Особенность биологических систем заключается в том, что они способны к самоорганизации, то есть к образованию и развитию сложных упорядоченных структур. Это не противоречит классическим законам термодинамики, поскольку все живые биологические системы не являются замкнутыми и обмениваются ресурсами с окружающей средой. Энтропия, служащая мерой беспорядка, может уменьшаться в открытых системах с течением времени. Необходимая предпосылка самоорганизации заключается в наличии потока ресурсов, поступающих в систему от внешнего источника и диссипируемого ею. Именно благодаря этому потоку система становится активной, то есть приобретает способность к автономному образованию динамических (в том числе морфологических) структур.

В открытых системах можно выделить два класса эволюционных процессов:

Эволюция к неравновесному, но стационарному состоянию.
Эволюция как последовательность неравновесных нестационарных состояний.

Эволюция может вести либо к деградации, либо представлять собой процесс самоорганизации, в ходе которого возникают более совершенные структуры. Самоорганизация является, таким образом, не единственно возможным направлением и результатом эволюции. В физических системах не заложено "внутреннее стремление" к самоорганизации. В биологических системах ответ на этот вопрос зависит от способа и масштаба рассмотрения системы. Физическим примером деградации может служить эволюция к равновесному состоянию замкнутой системы. Биологическим примером – старение организма. Таким образом, самоорганизация - лишь один из двух возможных путей эволюции процессов. Для ответа на вопрос, по какому пути будет развиваться процесс, необходимо иметь критерии самоорганизации. При этом часто не требуется давать строгие определения таких понятий, как деградация и самоорганизация. Как правило, более важным является сравнительный анализ степени относительной упорядоченности последовательных состояний рассматриваемой открытой системы. Такой анализ может дать ответ на вопрос: является ли рассматриваемый в открытой системе процесс эволюции самоорганизацией или деградацией?

Для организма процесс развития называют онтогенезом. Онтогенез также может быть направлен к самоорганизации или к деградации.

Важным классом динамических систем являются волновые процессы и волновые объекты, порождаемые этими процессами. В том числе и в биологических системах. Волновые объекты формируются благодаря синхронизации волновых процессов и могут служить источниками новых волновых процессов.

Явление синхронизации широко распространено природе и технике. Синхронизация это подстройка ритмов осциллирующих объектов за счет полевого взаимодействия между ними. Синхронизация зависит от двух факторов: силы связи и расстройки по частоте. Существует два режима взаимной синхронизации двух автоколебательных систем: синфазная и противофазная синхронизация. В обоих случаях разность фаз, как правило, не в точности равна нулю. В таких случаях говорят о фазовом сдвиге между двумя колебаниями.

Взаимная синхронизация может возникнуть как в системе нескольких взаимодействующих автоколебательных систем, так и в ансамбле глобально связанных осцилляторов, а также в непрерывных колебательных средах. При определенных условиях возможно образование кластеров синхронизированных осцилляторов. Достаточно распространены автоколебательные системы, генерирующие сложные шумоподобные сигналы, где также возможна синхронизация. Заметим, что волновые сигналы, снимаемые с биообъектов, являются шумоподобными.

Лорд Рэлей, не только наблюдал взаимную синхронизацию, когда различные, но схожие, органные трубы, начинают звучать в унисон, но также и эффект гашения (вымирания) колебаний, когда противофазная синхронизация приводит к подавлению колебаний во взаимодействующих системах. Экклес и Винсент связали два триодных генератора со слегка различными частотами и продемонстрировали, что связь вынуждает системы осциллировать на общей частоте.

Синхронизация может возникнуть в силу естественных свойств самой системы взаимодействующих объектов. В этом случае говорят о взаимной синхронизации. В других случаях для согласования поведения объектов необходимо привнесение в систему дополнительных связей или воздействий.

Синхронизация может возникнуть лишь в автоколебательных динамических системах. Автоколебательной системой называют систему, преобразующую энергию постоянного источника в энергию колебаний.

Таким образом, синхронизация это природный механизм повышения упорядоченности. Существует широкий класс динамических систем – это, прежде всего, биологические системы, для которых состояния как полного беспорядка, так и полного порядка не могут быть реализованы. При этих условиях их функционирование просто невозможно. Для таких систем фундаментальным является понятие нормы упорядоченности. В медицине ему условно можно сопоставить понятие нормы здоровья. Тогда процессом самоорганизации можно назвать процессы оздоровления и выздоровления.

Если удается установить для данной системы норму упорядоченности, то отклонения в обе стороны можно рассматривать как патологию и, следовательно, как деградацию. Далее можно говорить о выборе способа коррекции. Здесь в некоторых случаях может быть полезен показатель степени относительной упорядоченности. Если по этому показателю коррекция приближает состояние открытой системы к норме упорядоченности, то имеет место процесс самоорганизации. В противном случае возможна дальнейшая деградация.

Само по себе уменьшение степени относительной неупорядоченности не означает наличие самоорганизации и, наоборот, увеличение степени неупорядоченности не означает наличие деградации. Это правомерно только в тех открытых физических системах, в которых за начало отсчета степени упорядоченности можно принять состояние теплового равновесия, то есть имеется возможность использования абсолютной шкалы. В такой открытой системе, как, например, генератор электрических колебаний, равновесному состоянию, то есть состоянию с нулевой обратной связью, отвечают тепловые колебания в электрическом контуре.

Поскольку нормальное функционирование биологического организма возможно лишь при некоторой норме упорядоченности, которая отвечает существенно неравновесному состоянию, то указанного выше начала отсчета здесь не существует. По этой причине в биологии и медицине информация об изменении степени относительной упорядоченности полезна только при наличии знаний о норме упорядоченности.

Трудности определения нормы относительной упорядоченности биологических систем связаны в первую очередь с отсутствием соответствующей теории.

Выбор способа коррекции связан со знаниями об управляющих параметрах. В связи с этим, правильность выбора управляющих параметров зависит от качества теории.

В такой простой системе как лазер коррекция его состояния может осуществляться путем изменения такого управляющего параметра как уровень накачки, то есть изменения энергии, за счет которой создается инверсная заселенность. В классических генераторах накачке соответствует так называемый параметр обратной связи. При конвективном движении управляющим параметром служит градиент температуры. При переходе от ламинарного течения к турбулентному управляющим параметром может служить изменение разности давления на концах трубы. В медицинских системах выбор управляющих параметров опосредован медицинскими теориями.

Сложные системы имеют очень много степеней свободы. Однако в процессе эволюции процессов выделяется несколько основных степеней, к которым подстраиваются все остальные. Эти основные степени свободы называют параметрами порядка. Концепция параметров порядка Николиса и Пригожина за последние двадцать лет прошла большой путь, включая формирование нового раздела математики - теории инерциальных многообразий Малинецкого. В этой теории для большого класса систем, имеющих бесконечно много степеней свободы, доказано существование конечного набора параметров порядка.

Таким образом, изложенное показывает, что научное мышление традиционно склонно к параметризации реальности. Параметризация является неотъемлемым атрибутом аналитического подхода к научным исследованиям и параметрического способа мышления. Надо отметить, что это не единственный подход к научным исследованиям и, соответственно, не единственный способ научного мышления.