Бенуа Мандельброт - Фрактальная геометрия природы

При D , чуть большем 1 (вверху слева), результат похож на веник. При увеличении D ветви раскрываются, вследствие чего «крона» расширяется и образует складки, укрытые от солнечного света. При взгляде на такую конструкцию вспоминаются цветы некоторых разновидностей вида Brassica oleracea – таких, например, как цветная капуста (B. o. botrytis) и брокколи (B, o. italica). Интересно, насколько значительным может оказаться тот факт, что геометрические различия между цветной капустой и брокколи частично определяются фрактальной размерностью?

Фигура, получаемая при бóльших D (внизу слева), может напомнить французу о фортификационных сооружениях близ Вобана. Значения D=2 и θ=π дают дерево, заполняющее плоскость. При дальнейшем увеличении угла θ>π (внизу справа) приходится снова уменьшать размерность D , при этом всякое сходство с зонтиком пропадает, уступая место искривленному орнаменту, который странным образом ассоциируется с классическими древнеиндийскими скульптурами, изображающими танцующих людей.

На одной из наиболее известных иллюстраций в книге д ' Арси Томпсона «Рост и форма» [568] показано отображение друг на друга черепов рыб различных видов путем непрерывных и гладких преобразований в евклидовом духе. Преобразования, способные отобразить друг на друга приведенные на нашем рисунке деревья, вдохновлены тем же источником, но весьма отличны по духу.

В этой главе мы займемся изучением геометрического строения «деревьев», стволы которых обладают толщиной. Такая структура характерна для легких, кровеносной системы, реальных деревьев, речных бассейнов и т. д.

Эти природные объекты всем нам очень хорошо известны; более того, никакой другой объект не иллюстрирует столь же доступно идею фигуры, содержащей большое количество элементов различного линейного масштаба. К сожалению, деревья оказываются более сложными конструкциями, чем это может представиться на первый взгляд. Мы не рассматривали их раньше из-за одного простого обстоятельства, упомянутого в предыдущей главе: деревья не могут быть самоподобными. Самое большее, на что можно рассчитывать – это то, что самоподобие сохраняется на уровне концов ветвей; таким допущением мы и будем руководствоваться в этой главе. В дополнение к фрактальной размерности D множества концов ветвей, деревья характеризуются еще одним параметром, который называется диаметрическим показателем и обозначается буквой Δ . Когда дерево самоподобно с остатком, как в главе 16, показатель Δ совпадает с размерностью D множества концов ветвей. В противном случае Δ и D оказываются независимыми друг от друга характеристиками, и пред нами предстает образчик феномена, называемого биологами «аллометрией». Нам встретятся случаи как с Δ=D , так и с Δ .

Леонардо да Винчи пишет в своих «Заметках» (заметка № 394): «Совокупная толщина всех ветвей дерева на любой высоте равна толщине ствола (ниже их)». Формальное выражение выглядит следующим образом: диаметры ветвей настоящего дерева до и после разветвления (d, d 1 и d 2 )

удовлетворяют соотношению

d Δ=d 1 Δ+d 2 Δ ,

где Δ=2 . Смысл этого выражения таков: если принимать во внимание толщину ветвей, настоящие деревья не являются самоподобными деревьями с почти заполняющей пространство корой. В самом деле, самоподобие требует выполнения равенства Δ=D , а размерность D почти заполняющей пространство структуры должна быть близка к E=3 .

Иными словами, во всех случаях, когда выполняется вышеприведенное соотношение, величина Δ представляет собой новый параметр в дополнение к размерности D ; мы будем называть этот новый параметр диаметрическим показателем. Его рассматривали очень многие люди – в большинстве случаев независимо друг от друга – в этом можно убедиться, взглянув хотя бы на список литературы в [568]. В этой главе показано, что для бронхов Δ~3 . Показатель Δ дерева артерий равен приблизительно 2, 7, а для настоящих деревьев он близок к значению, указанному Леонардо, Δ=2 . Ширина рек также регулируется показателем Δ=2 . Кроме того, мы рассмотрим здесь некоторые физические, физиологические и геометрические аспекты величины Δ .

Параразмерность.Во «Фракталах» 1977 г. я называл показатель Δ паразмерностью (от греческого παρα «рядом, около»), но я больше не настаиваю на употреблении этого термина. Функции величины Δ вообще весьма туманны: в одних случаях она является размерностью, в других – нет. Аналогичное поведение демонстрирует показатель в [29]; см. также главу 39.

Первый пример: деление воздушных трубок в легких человека во всех практических отношениях самоподобно, причем Δ=D , а D~E=3 .

Внутреннюю структуру легкого вряд ли можно назвать хорошо знакомой широкому кругу людей, поэтому было бы поучительно вставить в этом месте фотографию реального легкого (такие фотографии можно найти, например, в [585] или в [84]), однако я установил для себя правило ограничиться в данном эссе моделями (и это, пожалуй, единственный случай, когда я сожалею об этом своем решении) .Значит, придется обойтись словесным описанием. Представьте себе, что мы заполнили все бронхи и бронхиолы легкого жидкой пластмассой, а после того, как пластмасса затвердела, удалили ткани. В результате мы получим чрезвычайно разветвленное дерево, которое заполняет легкое с такой густотой, однородностью и непроницаемостью для взгляда, какой не достигается ни одно настоящее дерево. Между двумя первыми разветвлениями, которые нас пока не касаются, и тремя последними, ведущими к альвеолам (о которых мы говорили в главе 12), имеется еще пятнадцать последовательных разветвлений, происходящих с поразительной правильностью.

По данным Вайбеля [585], отрезки бронхов в первом приближении подобны друг другу, и Δ~3 . Воздушный поток представляет собой конкретную величину, разделяющуюся между разветвляющимися бронхами, и поскольку воздушный поток в трубе равен площади сечения трубы, умноженной на скорость движения воздуха, получается, что скорость изменяется пропорционально d Δ−2 : при вхождении в более тонкие бронхи воздух замедляется.

Строгое равенство Δ=3 весьма важно. Первая интерпретация основана на рассуждениях Мюррея [439], следующим образом представленных в [568] (с. 954 в издании 1942 г. или 129 в издании 1961 г.): «Рост площади поверхности бронхов вскоре приводит к значительному увеличению трения и уменьшению скорости проходящего по ним газа; следовательно, ветви должны быть более вместительными, чем может показаться на первый взгляд . Вопрос заключается уже не во вместительности, а в сопротивлении бронхов; а ответ в общих чертах таков: условием наименьшего возможного сопротивления во всей системе целиком является неизменность отношения сопротивления к поперечному сечению на всех участках системы, как до, так и после разветвления. Суммарное поперечное сечение отходящих от ствола ветвей должно быть, таким образом, больше, чем сечение самого ствола, в соответствии с возрастающим сопротивлением. Приблизительный вывод, хорошо известный людям, изучающим гидродинамику [современный подход излагается в [224] и [606]], состоит в том, что сопротивление минимально, и система работает в оптимальном режиме» тогда, когда коэффициент ветвления по всей системе равен 2 1/3 ~1,26 .