Автоволны | это... Что такое Автоволны? (original) (raw)

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

См. также

Ссылки