Общее понятие устойчивости

Общее, абстрагированное от конкретных проявлений понятие «устойчивости», можно определить как свойство объекта по возможности сохранять свои основные (существенные) качества. Существенные качества – те, которые характеризуют его именно как этот объект в течение достаточно большого времени, несмотря на возможные в данных условиях воздействия внешней и внутренней среды.

Аналогичны понятия «устойчивости» явлений, системы объектов и частей объекта, их свойств, положения, траекторий и т. д.

Необходимо всё время иметь в виду относительность введённого понятия устойчивости.

Если при определённых условиях (внешних и внутренних воздействиях) один объект не теряет своих основных свойств в течение более продолжительного времени, то он более устойчив, чем сравниваемый с ним объект, эффективность его относительно устойчивого состояния повышена.

Если один объект выдерживает больше по качеству и/или величине всевозможные возмущения в течение одного и того же времени, чем другой, – он более устойчив.

Сложность исследования относительно устойчивых состояний, положений и т. д. состоит в многообразии различных объектов и специфичностью их относительно устойчивых состояний, в большом количестве факторов, различным образом влияющих на эффективность относительно устойчивых состояний, и т. д. Но существуют и совпадающие аспекты, не зависящие от конкретных объектов и условий их существования, для определения которых рассмотрим различные конкретные проявления указанных явлений.

Равновесное состояние

Один из самых привычных, наглядных примеров устойчивости – устойчивость положения какого-либо физиологического объекта, лежащего на земле. Пусть это будет монолитный кусок какой-либо горной породы, камень без трещин. При обычных и несколько благоприятных условиях, когда суточный и сезонный перепады температур не превышают 20 и 70 ℃ соответственно, при отсутствии действия концентрированных кислот и щелочей, при отсутствии сильных ударных воздействий и т. п. этот камень довольно долгое время (годами, веками) лежит на земле, не изменяя своего положения. В течение этого времени его положение устойчиво.

В рассматриваемых условиях устойчив и сам рассматриваемый камень. Основные действующие на него силы, сила притяжения Земли и сила контактного взаимодействия с соприкасающейся поверхностью Земли, уравновешены и не изменяются со временем. Остальные силы малы. Если мысленно разрезать камень на несколько частей и рассмотреть произвольную его часть, то окажется, что в основном каждая часть устойчива. Действующие на неё силы притяжения и отталкивания, давления других частей и реакции уравновешены и не изменяются. Сама эта часть также не изменяется в течение рассматриваемого времени при указанных условиях. Если мысленный процесс деления камня на части продолжить, то на уровне молекул можно обнаружить, что подавляющее большинство молекул устойчивы (не изменяются) и находятся в равновесии. Только сравнительно небольшое число молекул неустойчивы. Неустойчивы те молекулы, которые непосредственно воспринимают все тяготы воздействия окружающей среды, малые для камня как целого, но необязательно малые для отдельных молекул камня. Эти слабо, непосредственно и, может быть, вразнобой действующие на лежащий камень относительно малые силы окружающей среды могут разрушить камень лишь в течение очень большого промежутка времени. Кроме того, воздействия внешней среды не обязательно препятствуют устойчивости камня как объекта. Могут создаваться условия, защищающие его от разрушительного действия ветра, влаги и т. д.

Несколько другие аспекты рассматриваются при исследовании устойчивости положения камня (в предположении о целостности камня, т. е. в предположении механики твёрдого тела). В этом случае исследуется устойчивость взаиморасположения центров тяжести камня и Земли, так как расстояние между этими центрами является более существенным фактором в рассматриваемой системе.

Если какая-либо сила выведет лежащий на Земле камень из устойчивого положения и он окажется в неустойчивом, то есть в таком положении, в котором действующие на него основные силы неуравновешенны, то он будет изменять своё положение – двигаться в направлении вектора, равнодействующего сумме всех сил. Неуравновешенность действующих сил – необходимое и достаточное условие изменяемости положения камня относительно Земли.

Основными действующими силами будут силы притяжения Земли и силы инерции движения камня из-за начального толчка. Второстепенные силы – это силы трения о воздух в атмосфере Земли и т. д. Всевозможные изменения положения камня относительно Земли в рассматриваемом случае всегда приведут к одной из трёх следующих ситуаций:

1) если начальная скорость камня меньше первой космической, то камень постоянно изменяет своё положение до тех пор, пока не упадёт на землю и не окажется снова в уравновешенном положении, в котором будет задействована ещё одна основная сила – сила реакции Земли;

2) если начальная скорость камня больше первой космической и меньше второй, то камень может (в зависимости от направления начального толчка) оказаться на устойчивой орбите, на которой сила притяжения Земли уравновешивается центробежной силой инерции движения камня;

3) если начальная скорость камня больше второй космической, то камень окажется так далеко от Земли, что перестанет ощущать её притяжение. Начиная с некоторого момента, можно считать, что система Земля-камень распалась, положение камня относительно Земли устоялось – существенных изменений в этом смысле происходить не будет. Так как система камень-Земля распалась, то камень более правомерно уже рассматривать в собственной системе координат, в которой действующие на камень силы инерции равны нулю. Все силы уравновешены, так как все они исчезают.

Итак, в силу того, что в неуравновешенном положении существуют неуравновешенные силы, положение камня относительно Земли всё время изменяется. И это изменение будет происходить до тех пор, пока камень не окажется в уравновешенном ≈ неизменяемом ≈ устойчивом положении, из которого его может вывести лишь достаточно сильное воздействие внешней среды или внутренней (например, взрыв). Какое именно устойчивое положение будет реализовано, зависит от величины основных параметров, в данном случае от начальной скорости камня.

Стремление к устойчивому, равновесному положению и состоянию в приведённом примере отнюдь не выражает чью-либо волю, желание, хотя и отражает в какой-то мере реакцию объекта на наличие не скомпенсированной силы. С точки зрения термодинамики (сильно огрубляя ситуацию), наличие некомпенсированной силы можно трактовать как наличие свободной энергии, то есть что энтропия рассматриваемой системы (камень-Земля) не достигла своего максимума и система ещё находится в неустойчивом состоянии.

В естественных условиях, конечно, скажется влияние неучтённых сил, но основной вывод окажется неизменяемым.

Кратко и более общо об этом говорил Ф. Энгельс: «Отдельное движение стремится к равновесию, совокупное движение снова нарушает равновесие». Для того чтобы уточнить, что имеется в виду под равновесием в этом контексте, рассмотрим наиболее популярную в физике классификацию всевозможных равновесных положений шарика в потенциальных полях с точки зрения устойчивости равновесных положений.

Во всех представленных на фигуре 1 равновесных положениях шарика (А, Б, В) сила веса шарика уравновешивается силой реакции.

Фиг. 1

В положении «А» шарик находится в равновесном, но не устойчивом состоянии. Почти любое изменение ситуации, почти любое по силе и направлению случайное воздействие (флуктуация) выведет шарик из равновесного состояния, что приведёт к появлению не скомпенсированной силы (в частности, горизонтальной составляющей силы реакции), и шарик будет изменять своё положение до тех пор, пока он не окажется в более устойчивом состоянии. В положении «Б» шарик находится в равновесном (безразличном) состоянии. Это положение можно трактовать как относительно устойчивое на том основании, что, например, расстояние от центра шарика до центра притяжения (Земли) не изменяются. И в точке «Б», и в точке «б», и в близлежащих точках, куда шарик может переместиться под действием случайных, достаточно ограниченных воздействий внешней среды, указанное расстояние постоянно. В положении «В», когда шарик оказывается на дне выемки, он находится в равновесном (устойчивом) состоянии.

Если какое-либо возмущение вынудит шарик перейти в состояние «в» (и перестанет действовать), то в реальных условиях (при наличии трения) шарик в конце концов возвращается на дно выемки в устойчивое (равновесное) состояние. И будет находиться в нём до тех пор, пока какие-либо достаточно сильные воздействия окружающей среды не изменят возникшую ситуацию. С точки зрения термодинамики, стремление шарика в своё устойчивое состояние (точку «В») характеризуется возрастанием энтропии, или, другими словами, потерей свободной энергии. Математически и физически многие утверждения и выводы, характерные для приведённого примера, верны и для более общих случаев, когда вместо шарика рассматривается любая физическая система, находящаяся в потенциальном поле (поле тяготения, электромагнитном поле, поле слабого и сильного взаимодействия и любой их совокупности).

Рассмотрённую выемку физики называют потенциальной ямой, а математики чаще всего аттрактором.

Из приведённого анализа вытекает, что, рассматривая физические системы, Энгельс под равновесием, к которому стремится любое движение, подразумевал именно устойчивое (равновесное) состояние; отчасти равновесно-безразличное, но отнюдь не устойчивое (равновесное) состояние (А). Изречение Энгельса применительно к физическим объектам, движениям является просто перефразировкой одного из основополагающих законов физики, а именно второго начала термодинамики. Рассмотрим подробнее это начало и связанные с ним понятия энтропии и свободной энергии.

Энтропия

Понятие энтропии является одним из основных понятий термодинамики, введённых в науку Клазиусом. Энтропия выражает способность энергии рассматриваемой системы к превращениям (например, переходам из электрической в механическую, тепловую и другие). Чем больше энтропия системы, тем меньше заключённая в ней энергия способна к превращениям. Основанное на понятии энтропии второе начало термодинамики утверждает невозможность убывания энтропии в замкнутой системе, то есть Закон возрастания энтропии. Достижение максимума энтропии характеризует наступление равновесно-устойчивого состояния, в котором уже невозможны дальнейшие энергетические превращения: вся свободная энергия превратилась в теплоту и наступило состояние теплового равновесия рассматриваемой замкнутой системы. Понятие свободной энергии противоположно понятию энтропии и по Гельмгольцу равно разности:

F = U – T ∙ S,

где U – внутренняя энергия системы;

T – абсолютная температура (в Кельвинах);

S – энтропия.

Из приведённой формулы видно, что при возрастании энтропии свободная энергия убывает. Заметим, что и внутренняя энергия, и свободная энергия, и температура (в Кельвинах) – неотрицательные величины.

Вышерассмотренный шарик в положении «в» фигуре 1 имеет свободную энергию, не равную нулю, но если не действуют другие внесистемные силы (то есть система

«потенциальная яма – шарик» замкнута), то в конце концов шарик очутится в положении «В», истратив свободную энергию на трение при движении к своему устойчивому положению «В», некоторое время совершая вокруг этого положения колебательные движения.

Уже творцы второго начала Клазиус и В. Томсон применили его ко всему миру в целом. Рассуждая, что если любая изолированная система стремится к возрастанию энтропии (а Вселенную можно считать замкнутой, изолированной системой), то в конечном итоге это означает неизбежную тепловую смерть Вселенной – её состояние, в которой никакие превращения энергии невозможны.

Эти рассуждения были подвергнуты острой и правомерной критике с различных позиций. Например, с космологической точки зрения, энтропия Вселенной всё время возрастает, но максимального значения нет, и она никогда не достигнет его (то есть состояния полного теплового равновесия для Вселенной не существует). С точки зрения статической физики, было показано, что энтропия выражает вероятность состояния системы, и возрастание энтропии означает переход системы от менее вероятных состояний к более вероятным. Но возрастание энтропии не носит абсолютного характера, а выражает лишь наиболее вероятное течение процессов. Для образований, включающих бесконечно большое число частиц (Вселенная, мир в целом), утрачивает смысл и само понятие наиболее вероятного состояния (в бесконечно большом образовании все состояния оказываются вероятными, а следовательно, равновесными).

Тем не менее для замкнутых, ограниченных систем второе начало термодинамики работает безукоризненно. Именно то обстоятельство, что нет примеров, противоречащих второму началу, приводит нас к уверенности в невозможности вечного двигателя. С точки зрения рассматриваемого подхода, второе начало термодинамики есть отражение стремления физических объектов к своему устойчивому состоянию.

Сравнение эффективности различных устойчивых состояний

На примере исследованного выше шарика рассмотрим относительность эффективности всевозможных устойчивых положений в зависимости от величины воздействующих сил окружающей среды. Допустим, что потенциальное поле представляет поверхность, приведённую на фигуре 2, с потенциальными ямами разного уровня (разной глубины).

Фиг. 2

Если энергия флуктуаций (возбуждений) не превышает разности энергий (∆E = E₄ – E₃) для данного случая минимального потенциального барьера, то шарик будет находиться в довольно устойчивом стабильном состоянии, попав в любую из рассматриваемых потенциальных ям.

Если вероятность попадания в какую-либо яму зависит от линейных размеров ям, то наиболее вероятное устойчивое положение шарика, попавшего в эту систему, соответствует положению во второй яме. И хотя наиболее глубокой ямой, характеризуемой наибольшей устойчивостью, является первая яма, вероятность попадания в это наиболее устойчивое положение в рассматриваемом случае минимально. Вероятность попадания в третью яму занимает промежуточное положение.

Если энергия флуктуаций не превышает величину равности энергий второго по величине энергетического барьера (∆E₂ = E₅ – E₃), но может превышать величину (∆E_min = E₄ – E₃), то вероятность попадания шариков в разные потенциальные ямы перераспределится в пользу третьей ямы за счёт второй.

Если энергия флуктуаций превышает величину ∆E₂, то вероятность попадания в первую яму повышается, но в определённом диапазоне энергий, опять же, за счёт только второй ямы и частично за счёт третьей ямы.

При очень большом количестве шариков необходимо учитывать и заполняемость потенциальных ям. При достаточно больших энергиях флуктуаций и достаточно продолжительном времени их воздействия в этом случае распределение шариков по ямам может приводить просто к закону сообщающихся сосудов. На фигуре 3 пунктирной линией проведён уровень заполненности ям шариками в этом случае.

Фиг. 3

Фиг. 4

При изменении внешних условий, например, при изменении конфигурации поверхности водоразделов вниз по течению, как показано на фигуре, вероятности попадания в различные потенциальные ямы могут изменяться.

На практике указанная задача может иметь интерес при выборе места для гидроэлектростанции определённой мощности на одной из трёх горных рек и/или при выборе поля для влаголюбивых растений и т. д. В качестве рекомендаций может быть приведён соответствующий вывод о необходимости лесопосадок на каком-либо отроге, что повысит определённый энергетический барьер и будет способствовать снегозадержанию, например, во ворой или третьей ямах, с учётом действующих в этом районе ветров и т. д. Конкретные приложения указанной модели могут быть различными, но здесь этот пример приведён для того, чтобы показать, что:

1) в реальных условиях для одних и тех же объектов может быть несколько устойчивых состояний;

2) одни из них могут быть более устойчивыми, другие – менее устойчивыми;

3) в зависимости от возможного уровня воздействия внешней среды, вероятности реализации различных устойчивых состояний могут перераспределяться;

4) вероятности реализации различных устойчивых состояний могут меняться и с изменением внешних условий.

Для более чёткого представления о влиянии условий окружающей среды на переоценку эффективности различных устойчивых состояний вернёмся к уже частично исследованному примеру взаимодействия камня с Землёй. Выше пренебрежение силами трения привело к выводу о наличии трёх устойчивых состояний, реализуемых при различных значениях начальной скорости камня. Если принять в расчёт силы трения, то в промежуточном случае, когда начальная скорость камня меньше второй и больше первой космической, появляются качественно новые аспекты и выводы несколько изменятся. В промежуточном случае реализуется только относительно устойчивое состояние, которое в конце концов из-за действия сил трения о «звёздную пыль» окажется недостаточно устойчивым.

С космологической точки зрения, наличие «звездной пыли» и т. д. приведёт к тому, что, например, Луна – известный аналог рассматриваемого камня – должна будет в конце концов упасть на Землю. Пока воздействия внешней среды не достигли критических значений, Луна находится в относительно устойчивом положении. Необходимо отметить, что это относительно устойчивое положение Луны может оказаться более устойчивым, чем положение камня на Земле, подверженного большему количеству различных факторов, которые не учитывались в нашем примере (ветер, вода, вулканы и т. п.).