В 1982 году вышла книга Мандельброта «Фрактальная геометрия природы», в которой автор собрал и систематизировал практически всю имевшуюся на тот момент информацию о фракталах и в легкой и доступной манере изложил ее. Когда вы думаете о фракталах, вам могут прийти на ум плакаты и футболки Grateful Dead, пульсирующие всеми цветами радуги и вызывающие завихрение сходства. Самым известным примером фракталов в природе является снежинка. О природе ков Виталий7 (Высоцкий В С.).
Фракталы в природе.
Бесконечные фигуры часто используются в дизайне, художественном искусстве, архитектуре. Снежинка Коха, Треугольник Серпинского, Кривая Леви, Дерево Пифагора и другие нашли применение в области фрактальных антенн для мобильных устройств. Фигуры компактного размера обладают широким диапазоном действий. Алгебраические фракталы. Он базируется на математических формулах, например, Мандельброта. Фигуры строятся с помощью комплексной динамики. Эти фигуры создают методом хаотичного изменения параметров, применяют дизайне, художестве. Изображения получаются природными, абстрактными. Такие фигуры нашли популярность в кинематографе, компьютерной графике, нейрографике дизайне при создании эффекта «плазмы» природы: молний, пламени, северного сияния, береговой линии и даже ионосферы.
Концептуальные фракталы и их дизайн. А эти фигуры уже выходят за рамки геометрии. Многоуровневое самоподобие ищи в стихах, музыке, изобразительном искусстве. Сказка «Репка», где «бабка за дедку, внучка за бабку, а Жучка за внучку» — яркий тому пример. Внепространственные фракталы также применяются в разделении общества на группы, организации поселений, социокультурной сфере. Фрактал — это бесконечная цепочка самопостроения Первые изображения найдены на керамике Трипольской культуры 2700 год. Гипнотические фигуры в природе и науке преображают хаос, создают матрицу. Они перестают быть синонимами беспорядка, обретая тонкую и четкую структуру.
Фракталы выстраивают свой дизайн посредством простых алгоритмов. Математика, современные технологии, дизайн, экономика и другие сферы давно обратили внимание на подобные закономерности. Фрактал упорядочивает хаос Картины с изображением фракталов способствуют глубокой медитации От общего к частному: из природы в архитектуру Архитектура обожает прием совершенной геометрии. К примеру, индуистские храмы обладают схожими друг на друга структурами. В их дизайне некоторые части напоминают концепт в целом. Согласно индуистской космологии, центральная башня зачастую олицетворяет бога Шиву, а подобные меньшие — бесконечные повторы вселенной.
Поскольку она тесно связана с визуализацией самоподобных образов, неудивительно, что первыми, кто взял на вооружение алгоритмы и принципы построения необычных форм, были художники. Carpenter в 1967 году начал работать в компании Boeing Computer Services, которая была одним из подразделений известной корпорации, занимающейся разработкой новых самолетов. В 1977 году он создавал презентации с прототипами летающих моделей. В обязанности Лорена входила разработка изображений проектируемых самолетов. Он должен был создавать картинки новых моделей, показывая будущие самолеты с разных сторон. В какой-то момент в голову будущему основателю Pixar Animation Studios пришла в голову креативная идея использовать в качестве фона изображение гор. Сегодня такую задачу может решить любой школьник, но в конце семидесятых годов прошлого века компьютеры не могли справиться со столь сложными вычислениями — графических редакторов не было, не говоря уже о приложениях для трехмерной графики. В 1978 году Лорен случайно увидел в магазине книгу Бенуа Мандельброта «Фракталы: форма, случайность и размерность». В этой книге его внимание привлекло то, что Бенуа приводил массу примеров фрактальных форм в реальной жизни и доказывал, что их можно описать математическим выражением. Такая аналогия была выбрана математиком не случайно. Дело в том, что как только он обнародовал свои исследования, ему пришлось столкнуться с целым шквалом критики. Главное, в чем упрекали его коллеги, — бесполезность разрабатываемой теории. Практической ценности теория фракталов не имеет». Были также те, кто вообще считал, что фрактальные узоры — просто побочный результат работы «дьявольских машин», которые в конце семидесятых многим казались чем-то слишком сложным и неизученным, чтобы всецело им доверять. Мандельброт пытался найти очевидное применение теории фракталов, но, по большому счету, ему и не нужно было это делать. Последователи Бенуа Мандельброта в следующие 25 лет доказали огромную пользу от подобного «математического курьеза», и Лорен Карпентер был одним из первых, кто опробовал метод фракталов на практике. Проштудировав книжку, будущий аниматор серьезно изучил принципы фрактальной геометрии и стал искать способ реализовать ее в компьютерной графике. Всего за три дня работы Лорен смог визуализировать реалистичное изображение горной системы на своем компьютере. Иными словами, он с помощью формул нарисовал вполне узнаваемый горный пейзаж. Принцип, который использовал Лорен для достижения цели, был очень прост. Он состоял в том, чтобы разделять более крупную геометрическую фигуру на мелкие элементы, а те, в свою очередь, делить на аналогичные фигуры меньшего размера. Используя более крупные треугольники, Карпентер дробил их на четыре мелких и затем повторял эту процедуру снова и снова, пока у него не получался реалистичный горный ландшафт. Таким образом, ему удалось стать первым художником, применившим в компьютерной графике фрактальный алгоритм для построения изображений. Как только стало известно о проделанной работе, энтузиасты по всему миру подхватили эту идею и стали использовать фрактальный алгоритм для имитации реалистичных природных форм. Одна из первых визуализаций 3D по фрактальному алгоритму Всего через несколько лет свои наработки Лорен Карпентер смог применить в куда более масштабном проекте. Аниматор создал на их основе двухминутный демонстрационный ролик Vol Libre, который был показан на Siggraph в 1980 году. Это видео потрясло всех, кто его видел, и Лоурен получил приглашение от Lucasfilm. Работая для Lucasfilm Limited, аниматор создавал по той же схеме трехмерные ландшафты для второго полнометражного фильма саги Star Trek. В фильме «Гнев Хана» The Wrath of Khan Карпентер смог создать целую планету, используя тот же самый принцип фрактального моделирования поверхности. В настоящее время все популярные приложения для создания трехмерных ландшафтов используют аналогичный принцип генерирования природных объектов. Terragen, Bryce, Vue и прочие трехмерные редакторы полагаются на фрактальный алгоритм моделирования поверхностей и текстур. Большинство из нас принимает достижения современных технологий как должное. Ко всему, что делает жизнь более комфортной, привыкаешь очень быстро. Редко кто задается вопросами «Откуда это взялось? Микроволновая печь разогревает завтрак — ну и прекрасно, смартфон дает возможность поговорить с другим человеком — отлично. Это кажется нам очевидной возможностью. Но жизнь могла бы быть совершенно иной, если бы человек не искал объяснения происходящим событиям. Взять, например, сотовые телефоны. Помните выдвижные антенны на первых моделях? Они мешали, увеличивали размеры устройства, в конце концов, часто ломались. Полагаем, они навсегда канули в Лету, и отчасти виной тому… фракталы. Фрактальные рисунки завораживают своими узорами. Они определенно напоминают изображения космических объектов — туманностей, скопления галактик и так далее. Поэтому вполне закономерно, что, когда Мандельброт озвучил свою теорию фракталов, его исследования вызвали повышенный интерес у тех, кто занимался изучением астрономии. Один из таких любителей по имени Натан Коэн Nathan Cohen после посещения лекции Бенуа Мандельброта в Будапеште загорелся идеей практического применения полученных знаний. Правда, сделал он это интуитивно, и не последнюю роль в его открытии сыграл случай. Будучи радиолюбителем, Натан стремился создать антенну, обладающую как можно более высокой чувствительностью. Единственный способ улучшить параметры антенны, который был известен на то время, заключался в увеличении ее геометрических размеров. Однако владелец жилья в центре Бостона, которое арендовал Натан, был категорически против установки больших устройств на крыше. Тогда Натан стал экспериментировать с различными формами антенн, стараясь получить максимальный результат при минимальных размерах. Загоревшись идеей фрактальных форм, Коэн, что называется, наобум сделал из проволоки один из самых известных фракталов — «снежинку Коха». Шведский математик Хельге фон Кох Helge von Koch придумал эту кривую еще в 1904 году.
В этом отличие фрактала от элементарных геометрических фигур таких как окружность, эллипс или квадрат : если мы рассмотрим небольшой фрагмент такой фигуры в очень крупном масштабе, то он будет похож на фрагмент прямой. Простым примером фрактала может служить дерево, ствол которого разделен на две ветви, каждая из которых, в свою очередь, разделяется на две более мелкие ветви и т. В результате мы будем иметь древовидный фрактал с бесконечным числом ветвей. Каждую отдельную ветвь можно, в свою очередь, рассматривать как отдельное дерево. Выделяют несколько разновидностей фракталов: геометрические, алгебраические и стохастические. Примеры фракталов в природе Геометрические фракталы Фракталы этого класса самые наглядные. Некоторые предпочитают называть эти фракталы классическими, детерминированными или линейными. Эти фракталы являются самыми наглядными. Они обладают так называемой жесткой самоподобностью, не изменяющейся при изменении масштаба. Это значит, что, независимо от того, насколько вы приближаете фрактал, вы видите все тот же узор. В двухмерном случае их получают с помощью некоторой ломаной или поверхности в трехмерном случае , называемой генератором. За один шаг алгоритма каждый из отрезков, составляющих ломаную, заменяется на ломаную-генератор, в соответствующем масштабе. В результате бесконечного повторения этой процедуры, получается геометрический фрактал. Рассмотрим один из таких фрактальных объектов — триадную кривую Коха. Построение кривой начинается с отрезка единичной длины рис. В результате такой замены получается следующее поколение кривой Коха. Для получения 3-го поколения проделываются те же действия — каждое звено заменяется на уменьшенный образующий элемент. Итак, для получения каждого последующего поколения, все звенья предыдущего поколения необходимо заменить уменьшенным образующим элементом. На рис. При n стремящемся к бесконечности кривая Коха становится фрактальным объектом. Построение триадной кривой Коха Для получения другого фрактального объекта рис. Пусть образующим элементом будут два равных отрезка, соединенных под прямым углом. В нулевом поколении заменим единичный отрезок на этот образующий элемент так, чтобы угол был сверху. Можно сказать, что при такой замене происходит смещение середины звена. При построении следующих поколений выполняется правило: самое первое слева звено заменяется на образующий элемент так, чтобы середина звена смещалась влево от направления движения, а при замене следующих звеньев, направления смещения середин отрезков должны чередоваться.
А наличие программы предполагает наличие программиста, то есть того, кто её прописал. И ни одно материальное существо или объект не может выйти за рамки этой системы или матрицы. Человек выгодно отличается от всего животного мира тем, что в нём есть духовная составляющая: Душа и Личность. Ещё совсем недавно, говоря «человек» подразумевалось лишь физическое тело. Теперь многие учёные соглашаются, что человек — это гораздо более сложная система. Просто поместить человека в таблицу биологических видов было недостаточно, так как этим ограничивается процесс самопознания. Исконные знания позволяют говорить о человеке, как о духовном существе. Познание духовной природы открывает прекрасные возможности для каждого человека и для общества в целом. Ведь когда человек не знает о своей двойственной природе и возможности выбора между двумя этими началами, то им очень легко становится управлять. С рождения мозг человека настроен на волну животного начала и следовательно человек в своей жизни руководствуется инстинктами. А значит попадает под воздействие системы животного разума, и следовательно, в этот момент не отличается от муравья, который подчинен общему разуму муравейника и выполняет исключительно свою функцию. Но если муравей в муравейнике обладает достаточно высоким интеллектом, то у человека, находящегося на волне животного начала, в толпе таких же как и он, сознание вообще сужено до точки простых инстинктивных желаний и эмоций. Ведь цели для человека, находящегося в состоянии животного, система определяет не созидательные как допустим для муравья , а наоборот — разрушительные. Огромное выделение разрушительных эмоций, неосознанные поступки, зачастую крайне деструктивные для него и окружающих. Цель — энергия, которую в изобилии выделяет человек и, находясь в таком состоянии, он полностью управляем. Для того, чтобы не быть деструктивным «муравьем» в сети системы животного разума, важно, чтобы человек был настоящим человеком, а значит руководствовался в своих мыслях и делах своим Духовным началом. В этом и заключается уникальность человека. В отличие от животных, которые живут строго по программам материального мира — доминация, борьба за выживание, размножение и так далее. Человек, благодаря своей Духовной природе и выбирая её, стремится к созиданию, бескорыстному действию, объединению, Любви. Именно Духовная природа и возвышает его над всем животным миром! В третьей части мы расскажем о том какое отражение в архитектуре, орнаментах, живописи, музыке нашли знания о фракталах как наших предков, так и современников.
Впервые в природе обнаружена микроскопическая фрактальная структура
Фракталы часто встречаются в природе. Деревья, как и многие другие объекты в природе, имеют фрактальное строение. Термин «фрактал» введён Бенуа Мандельбротом в 1975 году и получил широкую известность с выходом в 1977 году его книги «Фрактальная геометрия природы». Фракталы существуют не только в макро мире, но и на поверхности Земли.
Молния фрактал
Вы никогда не увидите скопище квадратных пузырей: если даже четыре стенки соприкоснутся, они немедленно перестроятся в конструкцию с тремя сторонами, между которыми будут примерно равные углы в 120 градусов. Почему так происходит? Пена — это множество пузырей. В природе существуют пенопласты из разных материалов. Пена, состоящая из мыльных пленок, подчиняется законам Плато, согласно которым три мыльные пленки соединяются под углом 120 градусов, а четыре грани соединяются в каждой вершине тетраэдра под углом 109,5 градусов. Затем по законам Плато требуется, чтобы пленки были гладкими и непрерывными, а также имели постоянную среднюю кривизну в каждой точке. Например, пленка может оставаться почти плоской в среднем, имея кривизну в одном направлении например, слева направо , и в то же время искривляться в обратном направлении например сверху вниз.
Лорд Кельвин сформулировал задачу упаковки клеток одного объема наиболее эффективным способом в виде пены в 1887 году; его решение — кубическая сота со слабо изогнутыми гранями, удовлетворяющими законам плато. Впоследствии эта структура была адаптирована для внешней стены Пекинского национального плавательного комплекса, построенного для проведения летних Олимпийских игр 2008 года. Природа озабочена экономией. Пузыри и мыльная пленка состоят из воды и слоя мыльных молекул , и поверхностное натяжение сжимает поверхность жидкости таким образом, чтобы она занимала наименьшую площадь. Поэтому капли дождя при падении принимают форму, близкую к сферической: у сферы наименьшая площадь поверхности по сравнению с другими фигурами того же объема. На восковом листке капли воды сжимаются в маленькие бусинки по той же причине.
Поверхностное натяжение объясняет и тот узор, который образуют пузыри или пена. Пена стремится к такой конструкции, при которой общее поверхностное натяжение будет минимальным, а значит, минимальной должна быть и площадь мыльной мембраны. Но конфигурация стенок пузырей должна быть прочной и с точки зрения механики: натяжение в разных направлениях на «перекрестке» должно быть идеально сбалансировано по тому же принципу нужен баланс при строительстве стен собора. Трехстороннее соединение в пленке из пузырьков и четырехстороннее — в пене — комбинации, которые достигают этого баланса.
В числе параметров, которые он учитывал, была протяженность общей границы двух враждующих стран. Когда он собирал данные для численных экспериментов, то обнаружил, что в разных источниках данные об общей границе Испании и Португалии сильно отличаются. Это натолкнуло его на следующее открытие: длина границ страны зависит от линейки, которой мы их измеряем. Чем меньше масштаб, тем длиннее получается граница.
Это происходит из-за того, что при большем увеличении становится возможным учитывать всё новые и новые изгибы берега, которые раньше игнорировались из-за грубости измерений. И если при каждом увеличении масштаба будут открываться ранее не учтенные изгибы линий, то получится, что длина границ бесконечна! Правда, на самом деле этого не происходит — у точности наших измерений есть конечный предел.
В итоге ответ на такой, казалось бы, простой вопрос может поставить в тупик кого угодно - длина берега Британии бесконечна.
Оно может употребляться, когда рассматриваемая фигура обладающая какими-либо из перечисленных ниже свойств: - обладает нетривиальной структурой на всех масштабах. В этом отличие от регулярных фигур таких, как окружность, эллипс, график гладкой функции : если мы рассмотрим небольшой фрагмент регулярной фигуры в очень крупном масштабе, он будет похож на фрагмент прямой. Для фрактала увеличение масштаба не ведёт к упрощению структуры, на всех шкалах мы увидим одинаково сложную картину; - является самоподобной или приближённо самоподобной; - обладает дробной метрической размерностью или метрической размерностью, превосходящей топологическую. Многие объекты в природе обладают фрактальными свойствами, например, побережья, облака, кроны деревьев, снежинки, кровеносная система и система альвеол человека или животных.
Фракталы, особенно на плоскости, популярны благодаря сочетанию красоты с простотой построения при помощи компьютера. Первые примеры самоподобных множеств с необычными свойствами появились в XIX веке например, множество Кантора. Термин «фрактал» был введён Бенуа Мандельбротом в 1975 году и получил широкую популярность с выходом в 1977 году его книги «Фрактальная геометрия природы». Самые большие группы это: геометрические фракталы алгебраические фракталы стохастические фракталы Однако существует и другая классификация: деление на рукотворные и природныефракталы.
К рукотворным относятся те фракталы, которые были придуманы учёными, они при любом масштабе обладают фрактальными свойствами. На природные фракталы накладывается ограничение на область существования — то есть максимальный и минимальный размер, при которых у объекта наблюдаются фрактальные свойства. Именно с них и начиналась история фракталов. Этот тип фракталов — самый наглядный, потому что в нем сразу видна самоподобность.
Получается он путем простых геометрических построений. Обычно при построении этих фракталов поступают так: берется «затравка» - аксиома - набор отрезков, на основании которых будет строиться фрактал. Далее к этой «затравке» применяют набор правил, который преобразует ее в какую-либо геометрическую фигуру. Далее к каждой части этой фигуры применяют опять тот же набор правил.
С каждым шагом фигура будет становиться все сложнее и сложнее, и, если мы проведем по крайней мере, в уме бесконечное количество преобразований, получим геометрический фрактал. Рисунок 3. Снежинка Коха Кривая Коха является типичным геометрическим фракталом. Процесс её построения выглядит следующим образом: берём единичный отрезок, разделяем на три равные части и заменяем средний интервал равносторонним треугольником без этого сегмента.
На следующем шаге повторяем операцию для каждого из четырёх получившихся звеньев и т. Выполнив аналогичные преобразование на сторонах равностороннего треугольника можно получить фрактальное изображение снежинки Коха. Для его построения из центра треугольника мысленно вырезают кусок треугольной формы, который своими вершинами будет упираться в середины сторон исходного треугольника. Рисунок 4.
Треугольник Серпинского. Рисунок 5. Процесс построения Треугольника Серпинского Повторяют эту же процедуру для трех образовавшихся треугольников за исключением центрального , и так до бесконечности. Если теперь взять любой из образовавшихся треугольников и увеличить его, то получится точная копия целого.
Это и есть полное самоподобие. Кривая дракона И зобретена итальянским математиком Джузеппе Пеано. Ее построение начинается с нулевого порядка, которая представляет собой прямой угол. Изображение фигуры каждого следующего порядка строится путем постоянных замен каждого из отрезков фигуры младшего порядка на два отрезка, сложенных также в виде прямого угла.
При этом каждый первый угол оказывается вывернутым наружу, а каждый второй - вовнутрь. На рисунке проиллюстрирован алгоритм построения драконовой ломаной и изображен вполне взрослый дракон десятого порядка. Здесь можно заметить, что два равных звена продолжают друг друга. Рисунок 7.
Об открытии сообщается в статье, опубликованной в журнале Nature. Молекулярным фракталом оказался микробный фермент — цитратсинтазу цианобактерии, которая спонтанно собирается в структуру, известную как треугольник Серпинского. Эта структура представляет собой треугольный узор, который состоит из меньших треугольников. До сих пор ученые не встречали подобные формы, которые сохраняли бы свое самоподобие в больших масштабах.
Открытие первой фрактальной молекулы в природе — математическое чудо
Чтобы доказать свое утверждение, он вводит ключевое для теории фракталов понятие фрактальной размерности. В своей книге “Фрактальная геометрия природы” (1982) Бенуа Мандельброт ввел термин фракталы, и создал математику для их описания. Фракталы в природе (53 фото).
Физики нашли фракталы в лазерах
Хоть он часто связывается с Гавайями, плод - уроженец южной Бразилии. Облака - Посмотрите в окно. Практически в любой момент вы можете увидеть фракталы на небе. Кристаллы - Лед, морозные узоры на окнах это тоже фракталы. Горы - Горные расселины, береговые линии хоть и произвольны по линиям, но так же фрактальны. Деревья и листья - От увеличенного изображения листочка, до ветвей дерева - во всём можно обнаружить фракталы. Береговая линия - Отдельные фрагменты побережья создают фрактальность - это Флорида. Морские ежи и морские звёзды - Морские ежи - такие маленькие и компактные, будто вышли из-под руки искусного ювелира.
Фракталы — это объекты, для которых характерно самоподобие, то есть точное или частичное совпадение фрагментов различных размеров.
С точки зрения математики фракталы являются особенными фигурами, так как обладают дробной размерностью. Это значит, что плоский фрактал в некотором смысле «проще» настоящей плоскости, но «сложнее» прямой. Фракталы также встречаются в природе. В частности, изрезанные береговые линии можно описать с помощью этих фигур, а кочан цветной капусты сорта Романеско, контуры облаков и ветвящаяся форма молний обладают свойством самоподбия.
Такая особенность обуславливается тем, что различные белковые цепи в разных положениях по-разному взаимодействуют друг с другом. Это приводит к нарушению симметрии и препятствует формированию обычной регулярной решетки. Случайная мутация Исследователи провели эксперимент, создав генетически модифицированные бактерии, у которых цитратсинтаза не формировала фрактальные треугольники.
Результаты показали, что жизнедеятельность этих бактерий не отличалась от обычных.
К ним можно отнести следующие: множество Кантора — нигде не плотное несчётное совершённое множество. Модифицировав процедуру, можно также получить нигде не плотное множество положительной длины; треугольник Серпинского «скатерть» и ковёр Серпинского — аналоги множества Кантора на плоскости; губка Менгера — аналог ковра Серпинского в трёхмерном пространстве; Ковёр Аполлония — множество всевозможных последовательностей окружностей, каждая из которых касается трёх уже построенных; примеры Вейерштрасса и Ван дер Вардена нигде не дифференцируемой непрерывной функции ; кривая Коха — несамопересекающаяся непрерывная кривая бесконечной длины, не имеющая касательной ни в одной точке; кривая Пеано — непрерывная кривая, проходящая через все точки квадрата; траектория броуновской частицы также с вероятностью 1 нигде не дифференцируема.
Её хаусдорфова размерность равна двум [3]. Построение кривой Коха Существует простая рекурсивная процедура получения фрактальных кривых на плоскости. Зададим произвольную ломаную с конечным числом звеньев, называемую генератором.
Фракталы: бесконечность внутри нас
Фракталы поразительно напоминают объекты живой и неживой природы вокруг нас. В ней он впервые заговорил о фрактальной природе нашего многомерного мира. Да, в физической Природе не существуют ни идеальный газ, ни континуальная материя, ни фрактальные объекты с «действительно бесконечной» лестницей иерархических этажей. Да, в физической Природе не существуют ни идеальный газ, ни континуальная материя, ни фрактальные объекты с «действительно бесконечной» лестницей иерархических этажей. Международная команда исследователей под руководством ученых из Германии обнаружила молекулярный фрактал в цитрат-синтазе цианобактерии, ферменте микроорганизма, который спонтанно собирается в фигуру, известную в математике как «треугольник Серпинского».
Физики нашли фракталы в лазерах
В данном разделе вы найдете много статей и новостей по теме «фрактал». Все статьи перед публикацией проверяются, а новости публикуются только на основе статей из рецензируемых журналов. Фракталы существуют не только в макро мире, но и на поверхности Земли. Фракталы в природе. Просмотрите доску «Фракталы» пользователя Katrine в Pinterest. Посмотрите больше идей на темы «фракталы, природа, закономерности в природе». Посмотрите потрясающие примеры фракталов в природе. Международная группа ученых обнаружила первую в природе молекулу, которая является регулярным фракталом.