univerza v mariboru fakulteta za naravoslovje in … · 2017-11-27 · 3 univerza v mariboru...

57
UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN MATEMATIKO Oddelek za fiziko Diplomsko delo Teorija kaosa – pedagoški pripomočki z uporabo apletov Mentor: Kandidat: red. prof. dr. Samo Kralj Matjaž Črček Maribor, 2011

Upload: others

Post on 11-Jul-2020

3 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN … · 2017-11-27 · 3 UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN MATEMATIKO IZJAVA Podpisani MATJAŽ ČRČEK, roj. 25.01.1985,

UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN MATEMATIKO

Oddelek za fiziko

Diplomsko delo Teorija kaosa – pedagoški pripomočki z uporabo apletov

Mentor: Kandidat: red. prof. dr. Samo Kralj Matjaž Črček

Maribor, 2011

Page 2: UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN … · 2017-11-27 · 3 UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN MATEMATIKO IZJAVA Podpisani MATJAŽ ČRČEK, roj. 25.01.1985,

2

ZAHVALA

Najprej bi se rad zahvalil mentorju, red. prof. dr. Samo Kralj, za pomoč, vodenje in nasvete pri izdelavi diplomskega dela. Ob tej priložnosti, pa bi se tudi zahvalil celotnemu kolektivu fizike.

Page 3: UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN … · 2017-11-27 · 3 UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN MATEMATIKO IZJAVA Podpisani MATJAŽ ČRČEK, roj. 25.01.1985,

3

UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN MATEMATIKO

IZJAVA Podpisani MATJAŽ ČRČEK, roj. 25.01.1985, študent Fakultete za naravoslovje in

matematiko Univerze v Mariboru, študijskega programa ENOPREDMETNA

PEDAGOŠKA FIZIKA, izjavljam, da je diplomsko delo z naslovom TEORIJA KAOSA –

PEDAGOŠKI PRIPOMOČKI Z UPORABO APLETOV pri mentorju red.prof.dr. SAMO

KRALJ avtorsko delo. V diplomskem delu so uporabljeni viri in literatura korektno

navedeni; teksti in druge oblike zapisov niso uporabljeni brez navedbe avtorjev.

Maribor, 23.11.2011 Matjaž Črček

Page 4: UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN … · 2017-11-27 · 3 UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN MATEMATIKO IZJAVA Podpisani MATJAŽ ČRČEK, roj. 25.01.1985,

4

ČRČEK, M.: Teorija kaosa – pedagoški pripomočki z uporabo apletov

Diplomsko delo, Univerza v Mariboru, Fakulteta za naravoslovje in

matematiko, Oddelek za fiziko, 2011

IZVLEČEK

V diplomskem delu bom predstavil izobraževalne numerične simulacije s področja fizike

kaosa, ki so prosto dostopne na spletu. Teorija kaosa je bila odkrita po letu 1950 in od takrat

naprej se obzorje naravnih pojavov, v katerih igra kaos pomembno vlogo, neprestano širi.

Številni pomembni raziskovalci trdijo, da se večina naravnih procesov spontano približuje

robu kaosa. Posledično postaja narava vedno bolj »kompleksna« in lahko skladišči več

informacij. Teorijo kaosa po pomembnosti postavljajo ob bok relativistične teorije in kvantne

mehanike. Njen pomen je predvsem v tem, da dobro opisuje raznovrstne pojave v našem

vsakdanjem življenju. Fizika kaosa vsebuje vrsto univerzalnosti. Slednje pomeni, da lahko

vrsto povsem različnih fizikalnih sistemov opišemo z isto matematiko. Poleg tega je pogosto

opaženo obnašanje izjemno robustno in neodvisno od detajlov opazovanega sistema. Kljub

izjemnemu pomenu teorije kaosa za razlago pojavov v vsakdanjem življenju je poučevanje na

tem področju v srednjih šolah v Sloveniji izjemno pomanjkljivo. Z namenom vpeljave

primernega učnega materiala s tega področja za izobraževanje srednješolcev sem v delu na

poljuden način predstavil ključne mehanizme kaosa, njegovo terminologijo ter pri tem

uporabil za ilustracijo obstoječe aplete, ki so prosto dosegljivi na spletu.

Klju čne besede: teorija kaosa, univerzalnost, atraktorji, logistične mape, orbitalni diagrami,

fraktali

Page 5: UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN … · 2017-11-27 · 3 UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN MATEMATIKO IZJAVA Podpisani MATJAŽ ČRČEK, roj. 25.01.1985,

5

ČRČEK, M.: Chaos theory – pedagogical resources with use of applets

Graduation Thesis, University of Maribor, Faculty of Natural Science and

Mathematics, Department of Physics, 2011

ABSTRACT

In this work I will present numerical simulations, which can be easily found on internet, for

education of physics in chaos. Chaos theory was discovered after 1950. Since then the horizon

of natural phenomena in which chaos plays important role, is getting bigger and bigger.

Number of important scientist is claiming that most of natural processes are getting closer to

the edge of the chaos. Consequently, nature is becoming more and more “complex” and

because of this it can store more information. Chaos theory is as much important as theory of

relativity and quantum mechanics. It is important because it describes several natural

phenomena which dominate our daily life. Physics of chaos contains several universalities.

This enables to establish close mathematical link between seemingly completely different

physical systems. Several phenomena in chaos theory are very robust and independent of the

details of a system. In Slovenia teaching of chaos theory in secondary school is almost absent

despite it is in describing natural phenomena in our everyday life. Because of that I will

represent main mechanisms of chaos and “language” of chaos with use of applets which

already exist and are freely available on internet.

Key words: chaos theory, universality, attractors, logistic maps, orbit diagrams, fractals

Page 6: UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN … · 2017-11-27 · 3 UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN MATEMATIKO IZJAVA Podpisani MATJAŽ ČRČEK, roj. 25.01.1985,

6

1. UVOD ................................................................................................................................. 7

2. PREDSTAVITEV KAOSA ................................................................................................ 9

2.1 Kaos skozi zgodovino ....................................................................................................... 9

2.2 Kaos ................................................................................................................................ 10

3. PEDAGOŠKI PRIPOMOČKI ZA PREDSTAVITEV KAOSA UČENCEM .................. 12

3.1 Kaotično dvojno nihalo .................................................................................................. 12

3.1.1 Kaotični sistemi v naravi ......................................................................................... 14

3.2 Horizont predvidljivosti .................................................................................................. 15

3.2.1 Horizont predvidljivosti v naravi ............................................................................. 16

3.3 Fazni prostor, atraktorji in učinek metulja ...................................................................... 16

3.3.1 Primer gibanja delcev v dvodimenzionalni simulaciji v realnem prostoru .............. 18

3.3.2 Tridimenzionalna simulacija Lorenzevega atraktorja .............................................. 23

3.3.3 Primer kaosa, atraktorja in faznega prostora v naravi .............................................. 25

3.3.4 Učinek metulja ......................................................................................................... 26

3.4 Logistične mape, orbitalni diagrami, mrežasti grafi ....................................................... 27

3.4.1 Logistična mapa ....................................................................................................... 27

3.4.2 Mrežasti diagram ..................................................................................................... 29

3.4.3 Orbitalni diagram ..................................................................................................... 31

4. FRAKTALI ....................................................................................................................... 40

4.1 Fraktali v naravi .............................................................................................................. 45

4.2 Dimenzije fraktalov ........................................................................................................ 45

4.3 Fraktali v našem telesu ................................................................................................... 48

5. UPORABA KAOSA V VSAKDANJEM ŽIVLJENJU ................................................... 50

6. ZAKLJUČEK ................................................................................................................... 54

LITERATURA ......................................................................................................................... 55

Page 7: UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN … · 2017-11-27 · 3 UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN MATEMATIKO IZJAVA Podpisani MATJAŽ ČRČEK, roj. 25.01.1985,

7

1. UVOD

Znanost je dolgo temeljila na predpostavki urejene ter predvidljive narave. Že Pitagora je

napovedal, da je narava opisljiva z matematičnimi enačbami. Prevladujoče mnenje je bilo, da

se v naravi vse dogaja predvidljivo. Zgled za slednjo domnevo je bila npr. Newtonova

gravitacijska teorija, ki je dobro opisovala gibanje planetov našega osončja. Vesolje naj bi

delovalo kot ura, kar pomeni, da je obnašanje vesolja določeno z začetnimi pogoji ob

njegovem nastanku in vso nadaljnje časovno odvijanje dogodkov enolično določajo enačbe.

Glede na Newtonove zakone tako ne bi bilo možnosti izbire prihodnosti glede na znano

začetno stanje. Iz izkušenj pa vemo, da se vrsta naravnih pojavov sproži relativno naključno,

kot so npr. bolezni, lakota ter vojne. Tako lahko neopazna sprememba v začetnem stanju

določen naravni pojav razvije v popolnoma drugačno kasnejše stanje. Teh stvari navidezno

ne moremo predvideti z zakoni, ki opisujejo predvidljivo obnašanje narave, zato so

znanstveniki iskali teorijo, v kateri naključje igra pomembno vlogo. Slednje je privedlo do

teorije kaosa. Izkazalo se je, da so osnovni vzroki za kaotično obnašanje (močan vpliv

začetnega stanja na končno stanje) izjemno robustni, torej neodvisni od detajlne »lokalne«

sestave sistema. Posledično fizika kaosa vsebuje vrsto univerzalnih mehanizmov, ki z

matematičnega vidika povezujejo pogosto popolnoma različne fizikalne sisteme. Ravno zato

je teorija kaosa tista, ki je pripomogla k skupnim raziskavam znanstvenikov z različnih

področjih, saj kaos med drugim zasledimo v geologiji, ekologiji, kardiologiji, pri potresih, v

biologiji, pri bitju srca. S kaosom se srečujemo vsakodnevno in je ena redkih vej znanosti, ki

je postala »pop senzacija«. Leta 1987 je izšla knjiga, ki jo je napisal James Gleick z naslovom

Chaos: Making a New Science (Kaos: Nova znanost). Do sedaj je bila knjiga prevedena v 20

različnih jezikov in prodana v več kot pol milijona kopij [1]. Vendar kaos ni samo »pop

senzacija«, ampak je teorija, ki razloži vrsto pojavov v vesolju, naravo okoli nas ter

domnevno tudi nastanek življenja.

Za temo diplomske naloge sem izbral teorijo kaosa. Predvsem sem se osredotočil na osnove

teorije kaosa in kompleksnih sistemov. Kompleksni sistemi se nanašajo na sisteme, ki

vsebujejo veliko število nelinearno sklopljenih »gradnikov«. Na makroskopskem nivoju

pogosto kažejo obnašanje, ki je kvalitativno različno od obnašanja izoliranega »gradnika«. Za

pojasnitev vrste obnašanj v teh sistemih, je ključna teorija kaosa in njena nadgradnja, kar

skupno imenujemo fizika kompleksnih sistemov. Za demonstracijo osnovnih pojmov sem na

spletu poiskal ustrezne uporabne programe. V delu opisujem, kako lahko z uporabo

Page 8: UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN … · 2017-11-27 · 3 UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN MATEMATIKO IZJAVA Podpisani MATJAŽ ČRČEK, roj. 25.01.1985,

8

pripomočkov preučujemo omenjene pojave, ki so značilni za teorijo kaosa. Težavnostna

stopnja ustreza povprečni srednješolski izobrazbi. Kaos je zanimiv predvsem zato, ker ga

srečujemo v vsakdanjem življenju, vendar se tega ne zavedamo. S tem delom bi rad pokazal

svet in naravo skozi drugačne oči. Skozi diplomsko naloge bomo najprej spoznali zgodovino

kaosa in kako dolgo je že prisotno zavedanje nepredvidljivih dogodkov. Poudarjena bo razlika

med determinizmom ter kaosom in podana bo razlaga, zakaj je prihodnost kompleksnega

sistema nemogoče točno napovedati. Vrnili se bomo v leta, ko so se pokazale pomanjkljivosti

v Newtonovem urejenem vesolju. Na problem »nedoločenosti« je prvi naletel Poincaré, ki je

brez računalnika želel opisati dinamiko treh teles. Spoznali bomo še nekaj vzorčnih primerov

kaotičnega obnašanja in kako vplivajo na prihodnost sistema že najmanjši odkloni v začetnih

pogojih. V tretjem delu drugega poglavja bomo spoznali delo Edward Lorenza, začetnika

moderne dobe teorije kaosa. Lorenz je v svojih simulacijah vremenskih map odkril osnove

kaosa, znane kot učinek metulja. Videli bomo, kako lahko pojav kaosa nazorno grafično

predstavimo, kaj so »atraktorji« ter njihovo vlogo v opisu kaotičnih pojavov. V tretjem

poglavju bomo spoznali značilne grafe in fazni prostor, s katerim opišemo kaotične pojave.

Spoznali bomo, kako lahko iz njih razberemo univerzalno sekvenco. Pojav bo demonstriran

na primeru naravnega prirastka populacije mrčesa v daljšem časovnem obdobju. Prav tako pa

bomo videli, kako lahko iz teh grafov, ki opisujejo časovno evolucijo populacije, razberemo

numerično univerzalnost, ki jo opisujejo Feigenbaumove konstante. V četrtem poglavju se

bomo seznanili z geometrijo kaosa, matematiko »fraktalov«. Videli bomo, kje nastopajo v

vsakdanjem življenju okoli nas ter njihovo značilno »skalno invariantnost«. Fraktale bomo

predstavili s pomočjo Mandelbrotovega seta. Spoznali bomo ključno razliko med fraktalno in

nefraktalno strukturo. Seznanili se bomo s fraktalno dimenzijo. Spoznali bomo delo Helge

von Kocha in Kochovo krivuljo, ki je lep primer fraktalne strukture in primer, kako lahko

računamo dimenzije fraktalov. Nato bomo spoznali fraktalne strukture znotraj našega telesa in

videli, zaradi katerih izjemnih fizikalnih lastnosti je naravna evolucija izbrala fraktalno

strukturo. V zadnjem, petem poglavju bomo na izbranih primerih poudarili pomen teorije

kaosa v vsakdanjem življenju. Videli bomo, kako lahko teorijo kaosa uporabimo za vesoljsko

potovanje z relativno majhno porabo goriva.

Page 9: UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN … · 2017-11-27 · 3 UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN MATEMATIKO IZJAVA Podpisani MATJAŽ ČRČEK, roj. 25.01.1985,

9

2. PREDSTAVITEV KAOSA

2.1 Kaos skozi zgodovino

Kaos je mlada disciplina v fiziki, čeprav ga omenjajo že prve civilizacije, ki so opazile, da je

svet skrivnosten in nepredvidljiv. Nekatere stvari so zelo dobro določene in same po sebi

razumljive ter predvidljive. Primer je sledenje noči in dneva ter menjava letnih časov. So pa

se že prve civilizacije srečevale s pojavi, kot so lakota, okužbe in bolezni ter vojne, ki jih niso

znali napovedati. Že stari Grki so uporabljali besede za urejenost in neurejenost. Prva je bila

»cosmos«, ki je predstavljala urejeno naravo oziroma red v naravi. Za neurejenost pa so

uporabili besedo »chaos«, ki je pomenila brezno, prepad. Kasneje je ta beseda pridobila

pomen stanja pred kreacijo vesolja, stanja popolne neurejenosti in nereda. Takšno videnje

kaosa je prisotno še danes. Grki so imeli tudi besedo za kaotično stanje na skali atomov in

sicer »gas«. Od tukaj izvira beseda plin, nered, množica molekul z nepredvidljivo dinamiko

gibanja. Od prvotnih civilizacij so se kaosa zavedali tudi Hebrejci in Babilonci. Njihovo

racionalno razmišljanje je spodbudilo znanstvenike in matematike, da so začeli preučevati

gibanje stvari v naravi. Slednje je privedlo do odkritja različnih zakonov narave, kar so

določeni znanstveniki povezali in prenesli tudi na gibanje stvari v vesolju. S temi zakoni so

lahko opisali padanje jabolka na Zemlji, gibanje Lune in njene orbite. Prava revolucija v

znanosti in fiziki se je začela pred približno 400 leti. Takrat so znanstveniki, kot so Galilejo

Galilej, Isaac Newton in Johannes Kepler, pričeli obdobje »razuma«. S svojimi dokazi in

eksperimenti so prikazali, kako deluje narava in vesolje. Od vseh teh je največ prispeval

Newton in njegova teorija urejenega vesolja, ki bi naj delovala kot ura. Dogodki naj bi bili

natančno določeni z začetnim stanjem. Vesolje je bilo v njegovi teoriji tako urejeno in

pravilno, da ni bilo prostora za nepredvidljivost. To pomeni, da če bi zavrteli čas v poljubno

preteklost, se bi vedno vrnili v enako stanje. Zato so ljudje vesolje primerjali z uro, ki jo le

nastavimo in zaženemo kolesje. Le-ta bo v nedogled tiktakala. Iz filozofskega stališča bi Bog

moral samo ustvarit vesolje in zakone, nato pa bi se vse razvijalo in dogajalo po točno vnaprej

določenim scenariju. V takšnem vesolju ni prostora za nered, iz česar sledi, da tudi ni prostora

za svobodno odločitev. Pri isti stvari bi se vedno morali odločiti za isto reakcijo, ne glede na

pravilnost same odločitve. To bi pomenilo, da nimamo možnosti svobodne odločitve ali

izbire, kar imenujemo načelo determinizma, ki predpostavlja, da je vse, kar se zgodi,

določeno s tem, kar se je zgodilo pred tem. Torej, če poznamo začetno stanje in vse dejavnike,

ki delujejo na določen sistem, bi lahko z gotovostjo napovedali, kaj se bo zgodilo v

Page 10: UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN … · 2017-11-27 · 3 UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN MATEMATIKO IZJAVA Podpisani MATJAŽ ČRČEK, roj. 25.01.1985,

10

prihodnosti [2]. Vendar napovedovanje prihodnosti po principu determinizma ni mogoče,

kajti začetnih pogojev ne moremo nikoli natančno poznati oziroma jih ne moremo podati na

neskončno število decimalk natančno. Zato za napovedovanje prihodnosti sistema uporabimo

teorijo kaosa. Ta se je začel razvijati proti koncu leta 1800, ko so se pokazala številna

odstopanja od »klasične fizike«. Razlage teh anomalnosti so vodile do Einsteinove

relativistične teorije, kvantne mehanike in teorije kaosa.

2.2 Kaos

Kaos je deterministična nepredvidljivost oziroma paradoksno stanje, ki nasprotuje intuiciji

[1]. Je nepredvidljivo obnašanje in se pojavi tudi v sistemih, ki sledijo determinističnim

zakonom. Začetnik novejše zgodovine kaosa je Edward Lorenz, ki se je kot meteorolog

ukvarjal z napovedovanjem kaosa. Lorenz je pokazal, kako se lahko uporablja računalnik z

namenom napovedovanja vremenskih pojavov. Pri obravnavi vremenskih map je odkril

osnovne značilnosti kaotičnega obnašanja. Spoznal je, da se dva popolnoma enaka sistema, ob

malo različnih začetnih pogojih, razvijeta v popolnoma različno končno stanje. Najprej je

naredil simulacijo vremenske karte ob določenih pogojih, nato je za drugo karto uporabil

vrednosti, ki so se od prvotnih razlikovale šele na četrti decimalki. Kljub temu je bil rezultat

popolnoma drugačen, saj pri kaotičnem obnašanju odkloni naraščajo eksponentno [1]. Te

majhne razlike v začetnih pogojih, iz katerih sledi popolnoma drugačna prihodnost,

imenujemo učinek metulja. Vendar se le-ta ne pojavi v vseh sistemih, ampak le v nelinearnih

sistemih, kjer so pomembni t. i. »povratni pojavi« (ang. feedback effects). Primer, kjer se

lahko pojavi kaotično obnašanje, je vreme. Naslednji primer nepredvidljivega obnašanja je tir

gibanja treh teles v vesolju. S tem so se začeli znanstveniki ukvarjati približno 350 let po

Newtonu, čigar zakoni so opisovali urejeno vesolje. Slednjega je predstavil na primeru

gibanja dveh teles v vesolju. Kot primer je opisal gibanje Zemlje okoli Sonca. Enačbe, s

katerimi je izračunal tir gibanja, so se potrdile tako teoretično kot praktično. Vendar, ko so

znanstveniki z istimi enačbami in postopki želeli izračunati tir gibanja treh teles v sončevem

sistemu, se je stvar močno zapletla, saj gibanje treh teles lahko vodi do kaotičnega obnašanja.

Kaos pa nam poda zelo zapletene enačbe, ki jih analitično ni mogoče rešiti. Za reševanje

uporabimo grafično metodo ali pa računalnik. Vendar leta 1890, ko se je s tem ukvarjal Henri

Poincaré, še ni bilo računalnikov, zato je bilo reševanje tega problema zelo težko in

dolgotrajno. Poincaré je že po enačbah videl, kako majhne spremembe v začetnem stanju

vplivajo na končno stanje. Danes to ponazarjamo z grafom, ki je prikazan na sliki 1.

Page 11: UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN … · 2017-11-27 · 3 UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN MATEMATIKO IZJAVA Podpisani MATJAŽ ČRČEK, roj. 25.01.1985,

11

Slika 1. Na sliki vidimo, kako drugačno začetno stanje vpliva na končno stanje na primeru tira

gibanja telesa, ki ga Poincaré izračunal leta 1890 [3].

Page 12: UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN … · 2017-11-27 · 3 UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN MATEMATIKO IZJAVA Podpisani MATJAŽ ČRČEK, roj. 25.01.1985,

12

3. PEDAGOŠKI PRIPOMOČKI ZA PREDSTAVITEV KAOSA

UČENCEM

V nadaljevanju si bomo ogledali, kako lahko s pomočjo že obstoječih aplikacij kaos

razlagamo učencem. Pri vsakem poglavju bomo najprej spoznali teorijo, ki se skriva v ozadju,

nato bomo videli, kako lahko s simulacijami potrdimo in dokažemo, kar smo spoznali v

teoretičnem delu. V vsakem poglavju je dodano tudi podpoglavje, kjer je predstavljena

obravnavana tema v naravnem pojavu.

3.1 Kaotično dvojno nihalo

Najprej začnimo s primerom, ki se najpogosteje navaja kot značilni primer, na katerem je

ilustrirano kaotično gibanje. Preučili bomo tir gibanja dvojnega nihala. Nihanje takšnega

nihala pri majhnih odmikih od ravnovesne lege lahko izračunamo iz Newtonovih zakonov. Pri

velikih amplitudah pa obnašanje navidezno ni deterministično, saj je gibanje nihala izjemno

zapleteno, kot je prikazano na sliki 2.

Slika 2. Nihanje dvojnega nihala in odmik od ravnovesne lege v kaotičnem režimu [4].

Kaotično obnašanje nihala lahko preučimo s pomočjo spletne animacije na strani »My Phisics

Lab« [5], kjer kliknemo na animacijo »double pendulum«. Ko se odpre stran z animacijo,

nihalo že niha. Če ga želimo ustaviti, moramo najprej obkljukati kvadratek, kjer piše »show

controls«, ki je na sliki 3 označen s puščico.

Tir gibanja

Nihalo

Page 13: UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN … · 2017-11-27 · 3 UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN MATEMATIKO IZJAVA Podpisani MATJAŽ ČRČEK, roj. 25.01.1985,

13

Slika 3. Za spreminjanje parametrov obkljukamo kvadratke, označene s puščicami [5].

Nato se nam prikaže dodatna vrstica, ki nam ponuja spremembo več parametrov. Lahko

spreminjamo maso obeh kroglic, dolžino obeh palic in gravitacijski pospešek. To naredimo

tako, da enostavno kliknemo kvadratek, kjer je napisana prvotna vrednost teh parametrov, jih

izbrišemo in nato vpišemo želene vrednosti. V tej vrstici je tudi gumb »reset«, s katerim

ustavimo nihanje nihala. Ko nihalo enkrat ustavimo, lahko spreminjamo prej omenjene

parametre (slika 4). Prav tako pa lahko v prvotni vrstici spreminjamo parametre, po katerih

želimo, da nam animacija izriše graf. Izbiramo lahko med obema kotoma ter kotnima

hitrostma obeh nihal ali mešana izbira prej navedenih parametrov. Z gumbom »clear graph«

lahko počistimo graf (slika 3).

Obkljukamo kvadratek za razširitev parametrov

Gumb, s katerim počistimo graf

Spreminjanje parametrov na osi y

Spreminjanje parametrov na osi x

Page 14: UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN … · 2017-11-27 · 3 UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN MATEMATIKO IZJAVA Podpisani MATJAŽ ČRČEK, roj. 25.01.1985,

14

Slika 4. Na sliki je prikazano, kje spreminjamo parametre, kot so masa kroglice, dolžina

palice ter gravitacijski pospešek. Prikazan je tudi gumb za ustavitev nihala [5].

Ko nastavimo vse želene parametre po svoji izbiri, se enostavno z miško premaknemo do

nihala, pritisnemo levi gumb na miški, ga držimo in premaknemo miško. S tem premaknemo

nihalo. Izmaknemo ga do želene lege in nato gumb na miški spustimo. Nihalo bo nihalo, na

levi strani pa se bo izrisoval graf tistih parametrov, ki smo jih nastavili.

3.1.1 Kaotični sistemi v naravi

V naravi srečamo številne primere kaotičnega obnašanja v naravi. Eden izmed takšnih

primerov je bitje srca v daljšem časovnem obdobju (slika 5).

Masa prve kroglice Masa druge

kroglice

Dolžina prve palice

Dolžina druge palice

Gravitacijski pospešek

Gumb za ustavitev grafa

Page 15: UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN … · 2017-11-27 · 3 UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN MATEMATIKO IZJAVA Podpisani MATJAŽ ČRČEK, roj. 25.01.1985,

15

t [min]

Slika 5. Bitje srca: Število udarcev N na minuto v odvisnosti od časa t približno dve uri [6].

Kaotične procese srečamo tudi v biologiji razvoja življenja. Celice so na začetku identične.

Šele z morfogenezo, ki je primer samoorganizacije, se celice začno organizirati in spreminjati

v različne dele telesa. Podoben primer samoorganizacije je rahel veter, ki piha v puščavi. Vsa

zrna peska so na pogled identična, vendar jih veter na makroskopski ravni organizira v valove

in sipine. Pri tem detajlna oblika zrn ne vpliva na končno obliko [1].

3.2 Horizont predvidljivosti

Če se sistem nahaja v pogojih, ki vodijo v kaotično obnašanje, je njegovo stanje močno

odvisno od začetnih pogojev. Kljub temu je dinamika sistema deterministična. Zato lahko tudi

v takšnih pogojih precej dobro napovemo prihodnost pojava do t. i. »horizonta

predvidljivosti.« Slednji nam pove mejni čas, po katerem se bo sistem začel obnašati

nepredvidljivo. Horizont predvidljivosti lahko nazorno prikažemo z dvema enakima dvojnima

nihaloma. Če ju spustimo istočasno s primerne višine, bomo videli, da na začetku nihata

podobno. Po določenem času, ki je odvisen od nihajnega časa nihal, začneta nihati nihali

nepredvidljivo in navidezno neodvisno. Ta pojav je univerzalen v sistemih, ki se nahajajo v

kaotičnem stanju. Zato lahko preučevanje na enostavnem primeru nihal uporabimo kot

primeren eksperimentalni poligon. Simulacija, ki omogoča prikaz tega, se nahaja na strani

Franz-Josef Elmerja [7]. Simulacija nazorno prikaže, kako se dva sistema začneta po

določenem času obnašati nepredvidljivo in navidezno neodvisno. Še enkrat se lahko tudi

prepričamo, kako majhna odstopanja v začetnih pogojih vplivajo na končno stanje sistema.

N

[min-1]

Page 16: UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN … · 2017-11-27 · 3 UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN MATEMATIKO IZJAVA Podpisani MATJAŽ ČRČEK, roj. 25.01.1985,

16

Pri tej aplikaciji ne moremo ničesar spreminjati, le pokažemo lahko, kako izgleda horizont

predvidljivosti na realnem primeru (slika 6).

Slika 6. Simulacija, ki prikaže horizont predvidljivosti na primeru dveh nihal [7].

3.2.1 Horizont predvidljivosti v naravi

Pri vremenu je horizont predvidljivosti nekje od 1 do 2 tednov. Horizont predvidljivosti za

sončev sistem in gibanje planetov je nekje med 3 do 5 milijoni let. Ker smo znotraj horizonta

predvidljivosti, imamo občutek, da je sončev sistem urejen.

Fazni prostor in atraktorje bom prikazal na primeru vodnega kolesa, ki je predstavljen na sliki

7, s katerim si je pri raziskovanju pomagal Lorenz.

3.3 Fazni prostor, atraktorji in učinek metulja

Obnašanje sistema lahko prikažemo v faznem prostoru oziroma v prostoru stanj. To je

abstraktni prostor, v katerem so vnesene vse informacije, ki jih potrebujemo, da lahko

napovemo obnašanje nekega sistema v naslednjem trenutku. Na primeru dvojnega nihala sta ti

dve informaciji začetna lega in začetna hitrost. Primer faznega prostora za pojav, opisan v

poglavju 3.1, je prikazan na levi strani slike 4. Sistem se po določenem času ustali pri

določenemu vzorcu obnašanja v faznem prostoru in to imenujemo atraktor. Slednji predstavlja

prevladujoče obnašanja sistema na daljše časovno obdobje, kar pomeni, če sistem

odmaknemo od atraktorja, se bo sistem kmalu vrnil k enakemu obnašanju kot prej.

Page 17: UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN … · 2017-11-27 · 3 UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN MATEMATIKO IZJAVA Podpisani MATJAŽ ČRČEK, roj. 25.01.1985,

17

Slika 7. Lorenzevo vodno kolo [8].

Obnašanje vodnega kolesa, ki je predstavljeno na sliki 7, je predstavil v faznem prostoru, kar

lahko vidimo na sliki 8. Ko je zavora popolnoma razrahljana, se kolo obrača naprej in nazaj,

podobno kot niha nihalo. Gibanje je periodično (slika 8a). Če zavoro dovolj privijemo,

dosežemo vrtenje kolesa s konstantno hitrostjo v eni smeri, kar je stalno stanje sistema in ga

predstavimo s privlačno točko (slika 8b). Ko zavoro nekoliko zrahljamo, se kolo začne vrteti

nepredvidljivo (slika 8c).

a) b) c)

Slika 8. Na sliki je prikazano vrteče se vodno kolo in trije različni fazni diagrami, kjer je x2

teža vode v zgornjem delu kolesa in x1 hitrost vrtenja: a) nihanje oz. periodično obnašanje; b)

konstantno vrtenje vodnega kolesa v eno smer; pika na sliki je točkovni atraktor in c) kaotično

obnašanje [8].

Simulacijo atraktorja, predstavljenega v faznem prostoru, lahko najdemo tudi na spletu, na

strani univerze Waterloo [9]. Na tej strani lahko izberemo dvo- ali tridimenzionalno

simulacijo atraktorja ter faznega prostora (slika 9a in 9b).

Zavora

x2

x1

Page 18: UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN … · 2017-11-27 · 3 UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN MATEMATIKO IZJAVA Podpisani MATJAŽ ČRČEK, roj. 25.01.1985,

18

Slika 9. Simulacija atraktorjev: a) dvodimenzionalna simulacija; b) tridimenzionalna

simulacija [9].

3.3.1 Primer gibanja delcev v dvodimenzionalni simulaciji v realnem

prostoru

Ogledali si bomo primer, kjer bomo ponovno videli, kako lahko že majhne razlike v začetni

pogojih vplivajo na končno stanje sistema. V prvem zavihku izberemo potencialno jamo, ki

vsebuje 2 atraktorja, in sicer »1/r double lines« (slika 10). Sedaj pa si bomo ogledali, katere

parametre (opisal bom samo ključne) lahko spreminjamo in kakšne so posledice.

Slika 10. Možnost izbire potencialne jame [9].

a) b)

Izbira oblike potencialne jame

Page 19: UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN … · 2017-11-27 · 3 UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN MATEMATIKO IZJAVA Podpisani MATJAŽ ČRČEK, roj. 25.01.1985,

19

Med zanimivejšimi je izbira pogleda s ptičje perspektive. To naredimo tako, da obkljukamo

kvadratek »flat view« (slika 11a) in prikaže se nam simulacija z drugačnega zornega kota

(slika 11b).

Slika 11. Simulacija s ptičje perspektive: a) obkljukamo kvadratek, ki nam omogoča takšen

pogled; b) simulacija [9].

Naslednja stvar, ki je zanimiva, je sprememba funkcije miške. S pomočjo tega lahko

simulacijo prikažemo še bolj nazorno. V petem zavihku spremenimo funkcijo miške (slika

12). V osnovi je v tem zavihku nastavljena funkcija miške na »adjust angle«, kar pomeni

spreminjanje kota. Pomeni, če se z miško pomaknemo nad simulacijo in pridržimo levi gumb

na miški, potem lahko spreminjamo kot pogleda simulacije (slika 13).

Prikaz simulacije s ptičje perspektive

a) b)

Page 20: UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN … · 2017-11-27 · 3 UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN MATEMATIKO IZJAVA Podpisani MATJAŽ ČRČEK, roj. 25.01.1985,

20

Slika 12. Zavihek, ki omogoča spremembo funkcije miške [9].

Slika 13. Ena izmed možnosti pogleda na simulacijo [9].

Naslednja možnost je približevanje ali oddaljevanje simulacije. To naredimo tako, da v

zavihku, ki je prikazan na sliki 12, nastavimo »adjust zoom«. Nato se z miško ponovno

premaknemo nad simulacijo, zadržimo levi gumb. Za približevanje simulacije miško

povlečemo navzgor, v nasprotnem primeru pa jo povlečemo proti sebi (slika 14).

Sprememba funkcije miške

Page 21: UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN … · 2017-11-27 · 3 UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN MATEMATIKO IZJAVA Podpisani MATJAŽ ČRČEK, roj. 25.01.1985,

21

Slika 14. Prikazuje povečavo simulacije [9].

Simulacijo lahko tudi ustavimo ali spremenimo smer, v katero se delci gibljejo. Za ustavitev

simulacije obkljukamo kvadratek pred »stopped« (slika 15a). Za spremembo smeri gibanja

delcev obkljukamo kvadratek pred »reverse« (slika 15a). Ko obkljukamo kvadratek, s katerim

spremenimo smer gibanja delcev, se spremeni tudi simulacija. Delci se gibljejo vstran od

atraktorja (slika 15b).

Slika 15. a) Prikaz funkcij za ustavitev simulacije in sprememba smeri gibanja delcev; b)

simulacija ob vklopljeni funkciji »reverse« [9].

Funkcija za ustavitev simulacije

Funkcija za spremembo smeri

a) b)

Page 22: UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN … · 2017-11-27 · 3 UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN MATEMATIKO IZJAVA Podpisani MATJAŽ ČRČEK, roj. 25.01.1985,

22

Zanimivo pa je tudi, da lahko spremenimo jakost polja, število delcev in razdaljo med

atraktorjema. To naredimo z drsniki, ki se nahajajo pod ostalimi parametri, ki smo jih opisali

prej (slika 16).

Slika 16. Prikaz drsnikov za spremembo poljske jakosti in števila delcev [9].

S pomočjo te simulacije lahko ponovno preverimo, kako lahko majhna odstopanja v začetnih

pogojih popolnoma spremenijo obnašanje sistema. To lahko ponazorimo tako, da spremljamo

delec, ki ga postavimo v bližino dveh atraktorjev. Glede na to, kje delec starta, je odvisno v

kateremu atraktorju bo na koncu poniknil (slika 17). Torej, če delec, ki je na sliki 17 označen

s puščico, starta malenkost bolj v levo, se bo na koncu pomaknil k levemu atraktorju. Če

starta malenkost bolj desno, se bo pomaknil k desnemu atraktorju.

Slika 17. Prikaz delca v simulaciji z dvema atraktorjema [9].

Poljska jakost

Število delcev

Drsnik za spreminjanje razdalje med dvema atraktorjema

Page 23: UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN … · 2017-11-27 · 3 UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN MATEMATIKO IZJAVA Podpisani MATJAŽ ČRČEK, roj. 25.01.1985,

23

3.3.2 Tridimenzionalna simulacija Lorenzevega atraktorja

Najbolj znan atraktor v teoriji kaosa je Lorenzev atraktor. V nadaljevanju ga bomo preučili s

pomočjo tridimenzionalne simulacije. V prvem zavihku najprej izberemo »Lorenz attractor«

in prikaže se simulacija (slika 18a in 18b).

Slika 18. a) Zavihek, ki nam omogoča izbiro Lorenzevega atraktorja; b) simulacija

Lorenzevega atraktorja [9].

V drugem zavihku lahko nastavimo pogled vektorskega zapisa ali pa pogledamo, kako

potekajo tokovnice v Lorenzevem atraktorju. Za pogled vektorskega zapisa moramo v

zavihku, prikazanem na sliki 19a izbrati »field vectors« za tokovnice pa »streamlines«.

Izberemo »Lorenz attractor«

Page 24: UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN … · 2017-11-27 · 3 UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN MATEMATIKO IZJAVA Podpisani MATJAŽ ČRČEK, roj. 25.01.1985,

24

Slika 19. a) Zavihek, ki nam omogoča izbiro pogleda; b) simulacija, ki prikazuje vektorje pri

Lorenzevem atraktorju; c) simulacija, ki prikazuje tokovnice pri Lorenzevem atraktorju [9].

Zadnja dva drsnika imata enako funkcijo kot tista, ki sta opisana na sliki 16. Uporaben je tudi

drsnik, ki omogoča spremembo velikostne skale (slika 20).

Zavihek, ki omogoča izbiro prikaza vektorskega zapisa ali tokovnic

a) b)

c)

Page 25: UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN … · 2017-11-27 · 3 UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN MATEMATIKO IZJAVA Podpisani MATJAŽ ČRČEK, roj. 25.01.1985,

25

Slika 20. Prikaz drsnikov, ki omogočajo spremembo jakosti polja, števila delcev in velikostno

skalo [9].

3.3.3 Primer kaosa, atraktorja in faznega prostora v naravi

Primer enostavnega atraktorja lahko vidimo tudi v našem telesu, ko nas nekdo prestraši.

Takrat se nam srčni utrip poveča, vendar čez nekaj časa srce spet bije v naravnem ritmu ter se

vrne k svojemu atraktorju. Lažji in vsakdanji primer kaosa ter faznega prostora lahko opazimo

tudi v domači kuhinji pri gnetenju kosa testa. Vprašajmo se, kaj diferencialne enačbe naredijo

s kosom testa? Diferencialne enačbe so v našem primeru pek, ki gnete testo in premika delce

testa oziroma delce moke. Ko kos testa povaljamo, ga sploščimo in raztegnemo. Nato ga

oblikujemo v podkev in ponovimo postopek: razvaljamo, spet sploščimo in raztegnemo testo.

S tem dobimo veliko plasti testa zelo tesno skupaj, kar je podobno faznemu prostoru, ki ga

sploščimo in s tem ustvarimo neskončno veliko zelo tankih plasti. Z valjanjem testa ga

raztegujemo in ploščimo ter ustvarjamo kaos: dva delca, ki sta prej bila tesno skupaj, sta sedaj

razmaknjena. Še bolj nazorno lahko kaos prikažemo, če našemu kosu testa dodamo žličko

masla, ki predstavlja skupne začetne pogoje, saj imamo majhen kos, sestavljen iz stanj

oziroma delcev tesno skupaj, ki so v našem primeru delci masla. Ponovimo postopek gnetenja

in valjanja, kar povzroči mešanje, ki je primer kaosa. Delci masla, ki so začeli tesno skupaj, se

sčasoma porazdelijo po celotnem kosu testa in so lahko kjerkoli v testu. To pa je podobnost z

Lorenzevim atraktorjem, kjer lahko začnemo še tako tesno skupaj, vendar končamo lahko

kjerkoli na atraktorju, kar tudi sovpada s pojavom učinka metulja. Z drugimi besedami, naša

prihodnost je nepredvidljiva [1].

Izbira velikostne skale

Tukaj spremenimo število delcev

Tukaj spremenimo jakost polja

Page 26: UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN … · 2017-11-27 · 3 UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN MATEMATIKO IZJAVA Podpisani MATJAŽ ČRČEK, roj. 25.01.1985,

26

3.3.4 Učinek metulja

Skozi to poglavje smo spoznali osnovno značilnost teorije kaosa, in sicer občutljivost na

začetne pogoje, bolj znano kot učinek metulja. Z zelo enostavno simulacijo na spletu lahko

vidimo, kako zares vpliva majhna razlika v začetnem stanju dveh sistemov na njuno

prihodnost [10]. Ko se nam odpre stran najprej vidimo prazno belo ravnino (slika 21).

Slika 21. Prazna ravnina [10].

Nato z miško kliknemo kjerkoli na tej prazni ravnini in videli bomo tir gibanja delca (slika

22).

Slika 22. Vidimo tir gibanja delca po tistem, ko smo z miško kliknili na poljubni točki na tej

beli ravnini [10].

Ker pa želimo videti, kako hitro se tir gibanja dveh delcev začne razlikovati, moremo z miško

klikniti na belo ravnino še enkrat in ponovno kjerkoli želimo. Vendar ker želimo videti, kako

Page 27: UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN … · 2017-11-27 · 3 UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN MATEMATIKO IZJAVA Podpisani MATJAŽ ČRČEK, roj. 25.01.1985,

27

majhna odstopanja v začetnih pogojih vplivajo na prihodnost dveh sistemov, je smiselno, da

kliknemo z miško čim bližje prvotnemu kliku (slika 23).

Slika 23. Tukaj vidimo zelo nazorno, da kljub skoraj istim začetnim pogojem se dva sistema

začneta obnašati različno po določenem času [10].

Z gumbom »clear« počistimo projekcijo in že je simulacija pripravljena za nove teste (slika

23). Za lažjo predstavo, kako izgleda Lorenzev čudni atraktor obstaja tudi tridimenzionalna

simulacija v obliki filmčka [11].

3.4 Logistične mape, orbitalni diagrami, mrežasti grafi

3.4.1 Logistična mapa

Logistična mapa nam nazorno predstavi, kako sistem s spreminjanjem ključnega parametra

vodimo v kaotično stanje. Na logistični mapi prikažemo obnašanja nelinearnega sistema, kajti

nelinearnost povzroči, da zapisanih enačb ne moremo analitično in enostavno rešiti kot v

linearnih primerih. Če želimo preučevati obnašanje sistema v daljšem časovnem obdobju,

uporabimo grafično metodo ali računalnik. Prikazal bom primer logistične enačbe, ki opisuje,

kako se populacija mrčesa glede na naravni prirastek, spreminja na daljše časovno obdobje. V

enačbi nastopa xn, ki je število med nič in ena ter predstavlja razmerje med obstoječo

populacijo in maksimalno možno populacijo v letu n. Število populacije je odvisno od

naravnega prirastka populacije (r). Matematično logistično mapo zapišemo:

Gumb za izbris prejšnjih tirov gibanja

Page 28: UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN … · 2017-11-27 · 3 UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN MATEMATIKO IZJAVA Podpisani MATJAŽ ČRČEK, roj. 25.01.1985,

28

���� � ����� � ���, 1

ki nam pove, kako se bo populacija večala ali zmanjševala glede na začetno stanje populacije

in vrednosti r. Če je naravni prirastek manjši od ena, potem bo populacija mrčesa izumrla po

nekaj generacijah ne glede na začetno število populacije (slika 24a). Če je naravni prirastek

med 1 in 2, se bo populacija hitro približala vrednosti �� � 1�/�, prav tako se bo populacija

približala vrednosti �� � 1�/�, če je naravni prirastek med 2 in 3, le da bo nekaj časa nihala

okoli te vrednosti (slika 24b). Z vrednostjo parametra r nad 3 pa začne število populacije

nihati med dvema, štirimi (slika 24c), osmimi itd. različnimi vrednostmi [1].

Slika 24. Logistična mapa, ki prikazuje populacijo mrčesa ���� v časovnem obdobju (t) nekaj

let. Naravni prirastek znaša: a) r = 0,75 [12]; b) r = 2,85 [13] in c) r = 3,51 [12].

Sedaj pa si poglejmo, kako lahko logistično mapo predstavimo s pomočjo simulacije [13].

Na začetku se prikaže slika, kot jo vidimo na sliki 25.

Slika 25. Logistična mapa [13].

t t

a) b) c)

t

xn xn xn

Page 29: UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN … · 2017-11-27 · 3 UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN MATEMATIKO IZJAVA Podpisani MATJAŽ ČRČEK, roj. 25.01.1985,

29

Pri tej simulaciji lahko spreminjamo 3 parametre. Eden je začetno število populacije mrčesa,

ki se nahaja na osi y, drugi je naravni prirastek mrčesa, ki se nahaja na osi x in tretji je število

ponovitev, ki jih želimo videti, kar je prikazano v kvadratku zgoraj, kjer piše »iterations«. Za

spremembo začetnega števila populacije mrčesa ali spremembo naravnega prirastka mrčesa,

se z miško premaknemo nad modro piko na osi y ali nad modri kvadratek na osi x in kliknemo

levi gumb miške ter povlečemo enega izmed parametrov do želene vrednosti. Za spremembo

števila ponovitev pa enostavno kliknemo kvadratek in vpišemo število ponovitev, ki jih želim

videti (slika 26).

Slika 26. Prikaz parametrov, ki jih lahko spreminjamo pri simulaciji logistične mape za

populacijo mrčesa [13].

3.4.2 Mrežasti diagram

Populacijo mrčesa lahko prikažemo tudi z mrežastim diagramom, pri katerem os y predstavlja

število naslednje populacije xn+1 (glej enačbo (1)) in os x, število trenutne populacije xn.

Mrežasti diagram je sestavljen iz premice y = x ter krivulje drugega reda. Na osi nanašamo

vrednosti med 0 in 1, kjer 0 pomeni minimalno število populacije, 1 pa maksimalno število

populacije. Na sliki 27a je prikazan primer mrežastega diagrama za vrednost parametra r =

0,75. Tako kot na logistični mapi (slika 24a) lahko tudi na mrežastem diagramu vidimo, da

populacija izumre. Pri mrežastem diagramu se spreminja višina krivulje, kadar spreminjamo

parameter r. Večji kot je r, višji je vrh krivulje, kar lahko vidimo na sliki 27b, kjer je prikazan

primer mrežastega diagrama za r = 3,51, enako kot je na sliki 24c. Krivulja je višja kot tista

Tukaj spremenimo začetno število populacije Tukaj spremenimo naravni prirastek populacije

V ta kvadratek vnesemo število ponovitev, ki jih želimo videti

Page 30: UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN … · 2017-11-27 · 3 UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN MATEMATIKO IZJAVA Podpisani MATJAŽ ČRČEK, roj. 25.01.1985,

30

na sliki 27a in vidimo, da število populacije niha med štirimi vrednostmi, tako kot na sliki

24c.

Slika 27. Mrežasti diagram, ki prikazuje naslednjo populacijo ������ v odvisnosti od trenutne

populacije ���� pri naravnem prirastku: a) r = 0,75 in b) r = 3,51, kjer število populacije niha

med 4 različnimi vrednostmi [12].

Tudi ta diagram lahko prikažemo s simulacijo, kjer bomo videli povezavo med logistično

mapo in mrežastim diagramom logistične mape. Za prikaz uporabimo simulacijo, kjer sta

hkrati prikazana logistična mapa in mrežasti diagram logistične mape [14]. Ko odpremo

povezavo, se nam prikaže naslednja slika (slika 28).

Slika 28. Začetno stanje pri simulaciji logistične mape in mrežastega diagrama logistične

mape [14].

����

1

2

3

4

1 1

����

�� ��

a) b)

0

0 1

0

0 1

Drsnik za spremembo naravnega prirastka

Page 31: UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN … · 2017-11-27 · 3 UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN MATEMATIKO IZJAVA Podpisani MATJAŽ ČRČEK, roj. 25.01.1985,

31

Pri tej simulaciji lahko spreminjamo en parameter, in sicer naravni prirastek mrčesa, to

storimo z drsnikom nad mrežastim diagramom (označeno s puščico na sliki 28). Na tej

simulaciji lahko hkrati spremljamo razvoj populacije mrčesa za 3 različne začetne vrednosti

populacije mrčesa. To storimo tako, da na osi »x0« kliknemo z miško na poljubni točki (slika

29).

Slika 29. Prikaz populacije mrčesa za 3 različne začetne vrednosti populacije, in sicer ob

enakem naravnem prirastku [14].

S tem lahko ponovno opazujemo, kako različni začetni pogoji vplivajo na nadaljnji razvoj

sistema ob enakih pogojih oziroma kako občutljiv je sistem za majhna začetna odstopanja. Ko

smo izbrali 3 vrednosti, za katere želimo primerjati razvoj populacije mrčesa, se enostavno z

miško premaknemo nad drsnik, kjer lahko spreminjamo naravni prirastek mrčesa in

povlečemo drsnik do želene vrednosti. Grafi se bodo sproti spreminjali in tako bomo lahko v

istem trenutku videli vpliv naravnega prirastka na prihodnost populacije nekega mrčesa. Tako

lahko vidimo, da ob enakih pogojih oba diagrama prikažeta enak razvoj sistema, v tem

primeru populacije mrčesa.

3.4.3 Orbitalni diagram

Najpomembnejši diagram, s katerim prikazujemo možno dolgoročno obnašanje sistema, se

imenuje orbitalni diagram (slika 30a). Pri primeru populacije nanašamo na abscisno os

naravni prirastek mrčesa r, na ordinatno os pa možno število populacije, ki niha med 0, kar je

Page 32: UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN … · 2017-11-27 · 3 UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN MATEMATIKO IZJAVA Podpisani MATJAŽ ČRČEK, roj. 25.01.1985,

32

minimalno število populacije ter 1, ki predstavlja maksimalno število populacije. Orbitalni

diagram prikaže viličasto strukturo period stabilnih orbit 1, 2, 4, 8 itd. Ta števila konvergirajo

k limitni vrednosti v naravnem prirastku, k številki približno 3,57 (slika 30a), in to točko

imenujemo akumulacijska točka. Za to vrednostjo naravnega prirastka se prične kaos, ki ga

predstavimo s točkami, ki so kaotično pomešane in pomenijo, da je ob določeni izbiri

naravnega prirastka, lahko število populacije katerakoli izmed teh točk na diagramu. Vendar

se znotraj kaosa pojavi urejenost, vidna na sliki 30b, kot bele proge, ki jih imenujemo

periodična okna. Najbolj očitno periodično okno je tisto s periodo 3, kar pomeni, da se nekaj

ponavlja vsake 3 korake ali v našem primeru, se število populacije mrčesa ponavlja vsaka 3

leta [1]. Z orbitalnim diagramom lahko napovemo, kako se bo število populacije mrčesa

spreminjalo pri kateremkoli naravnem prirastku ter kje se bo kaos pričel. Ti dve lastnosti

orbitalnega diagrama sta tisti, zaradi katerih je orbitalni diagram tako pomemben za

preučevanje kaotičnega obnašanja.

Slika 30. Orbitalna diagrama za populacijo mrčesa: Normirano število populacije ���� od 0

do 1 na ordinatni osi, v odvisnosti od naravnega prirastka ��� na abscisni osi, ki ima vrednost

od 0 do 4. a) Celoten orbitalni diagram; b) Povečava urejenosti znotraj kaosa: naravni

prirastek približno 3,83, kjer opazimo okno s periodo 3 [15].

S preučevanjem period v orbitalnem diagramu lahko razberemo univerzalno sekvenco (U –

sekvenco). Ta nam pove, v kakšnem zaporedju si sledijo periode. Rdeča nit univerzalne

sekvence je, da se le-ta pojavi v vsaki ponavljajoči mapi tako dolgo, dokler ima mapa obliko

mrežastega diagrama logistične mape, kar pomeni mapa z grbino, ki je na koncu zaobljena

[1]. Kot primer si oglejmo prvi lok sinusne funkcije, na graf pa še dodamo premico � � �in

dobimo mrežast diagram, ki smo ga podrobneje preučili na začetku poglavja 3 (slika 31).

a) b)

0,0 1,333 2,667 4,0

1,0

0,7

0,3

0,0

��

r 3,83 3,87

0,977

0,687

0,397

0,107

3,570

Page 33: UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN … · 2017-11-27 · 3 UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN MATEMATIKO IZJAVA Podpisani MATJAŽ ČRČEK, roj. 25.01.1985,

33

Slika 31. Graf sinusne funkcije � � ���� � na intervalu od 0 do � ter premica � � �

Tudi pri sinusni funkciji lahko spreminjamo višino loka, kot smo to naredili pri mrežastem

diagramu za primer populacije mrčesa. Pri slednjem smo zmanjševali ali povečevali naravni

prirastek r, tukaj pa sinusno funkcijo pomnožimo z nekim številom. Sinusna funkcija je

matematično drugačna od parabole v primeru populacije mrčesa, kajti slednjo lahko opišemo

s kvadratno funkcijo, medtem ko sinusne funkcije ne moremo izraziti s kvadratno funkcijo,

ampak z neskončnimi vrstami. Če pogledamo do periode 6, se univerzalna sekvenca glasi 1,

2, 4, 6, 5, 3 (slika 32). Ko pogledamo orbitalni diagram za sinusno funkcijo (slika 32a),

vidimo, da kvalitativno izgleda enako kot orbitalni diagram za populacijo mrčesa (slika 32b).

Oba diagrama sta narisana na enaki velikostni skali, zato sta primerljiva. Razlika je, da se pri

diagramu sinusne funkcije univerzalna sekvenca numerično pojavi nekoliko prej (sliki 32a in

32b) [1].

Slika 32. Prikaz univerzalne sekvence na orbitalnem diagramu: a) sinusna funkcija in b)

logistična mapa za populacijo mrčesa [16].

0.5 1 1.5 2 2.5 3

0.5

1

1.5

2

2.5

3

1 2 4 6 5 3

1 2 4 6 5 3

Sinusna funkcija

Logistična mapa za populacijo mrčesa

a)

b)

y

x

Page 34: UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN … · 2017-11-27 · 3 UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN MATEMATIKO IZJAVA Podpisani MATJAŽ ČRČEK, roj. 25.01.1985,

34

Iz orbitalnih diagramov razberemo tudi numerično univerzalnost. To je razmerje med dolžino

in širino vil v diagramu, saj je vsaka naslednja vila za 4,669-krat krajša in 2,5029-krat ožja od

prejšnje vile (slika 33). Te konstante so znane kot Feigenbaumove konstante. Ta ista

univerzalnost v razmerju dolžin in širin posameznih vil velja za vse sisteme, ki imajo periode,

ki se podvajajo do meje, ko se prične kaos ter ko se v sistemu pojavi akumulacijska točka, za

katero se prične kaos [1].

Slika 33. Prikaz razmerij dolžine vsake naslednje vile L in razmerje širine vil H [16].

Najpomembnejši diagram za preučevanja razvoja nekega sistema in diagram, ki prikaže vrsto

univerzalnosti, se imenuje torej orbitalni diagram. Tudi za to obstajajo simulacije na spletu.

Ena izmed takšnih je na strani kalifornijske univerze Stanislaus [17]. Najprej se odpre stran,

kjer lahko izberemo več simulacij, vendar za nas je pomembna tista v levem zgornjem kotu,

kjer je gumb, na katerem piše »Bifurcation Diagrams« (slika 34).

L

4.669

H

2.5

Page 35: UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN … · 2017-11-27 · 3 UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN MATEMATIKO IZJAVA Podpisani MATJAŽ ČRČEK, roj. 25.01.1985,

35

Slika 34. Izbira želene simulacije [17].

Nato se nam odpre simulacija (slika 35).

Slika 35. Simulacija orbitalnega diagrama [17].

Ta simulacija je zelo dobra, ker lahko s preprostim klikom miške spremenimo funkcijo

orbitalnega diagrama, ki ga želimo narisati. To storimo s klikom miške na puščico v desnem

zgornjem kotu (slika 36). Na izbiro imamo logistično mapo, mapo sinusne funkcije,

Henonovo mapo in še nekatere druge, vendar za nas sta pomembni prve dve, kajti s pomočjo

teh dveh prikažemo univerzalnost, ki jo lahko razberemo s pomočjo orbitalnih diagramov

različnih funkcij, vse dokler zadovoljujejo pogojem, ki smo jih opisali pod sliko 31. Funkcijo

nato izberemo s klikom miške.

Gumb, ki ga kliknemo za orbitalni diagram

Page 36: UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN … · 2017-11-27 · 3 UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN MATEMATIKO IZJAVA Podpisani MATJAŽ ČRČEK, roj. 25.01.1985,

36

Slika 36. Zavihek, kjer izberemo želeni orbitalni diagram [17].

Spreminjamo lahko tudi nekaj drugih parametrov. Prvi je začetna vrednost populacije, druga

dva sta pa koliko prvih ponovitev želimo preskočiti in koliko naslednjih ponovitev želimo

videti. V osnovi je vrednost začetnega števila populacije mrčesa nastavljena na 0,499999, nato

je preskočenih prvih 500 ponovitev, izrisanih pa naslednjih 500 ponovitev. To spremenimo

tako, da z miško kliknemo na kvadratek in napišemo želene vrednosti in za izris orbitalnega

diagrama za nove vrednosti kliknemo zelen gumbek v zgornjem levem kotu (slika 37).

Slika 37. Prikaz gumba za izris orbitalnega diagrama ob spremenjenih vrednostih [17].

Pri tej simulaciji lahko uporabimo tudi druge funkcije. Med bolj pomembnima sta naslednji

dve: gumb za vrnitev na prvoten diagram in gumb za razveljavitev zadnje povečave ali

pomanjšave (slika 38).

Zavihek za izbiro orbitalnega diagrama

Gumb za izris orbitalnega diagrama za nove vrednosti

Page 37: UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN … · 2017-11-27 · 3 UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN MATEMATIKO IZJAVA Podpisani MATJAŽ ČRČEK, roj. 25.01.1985,

37

Slika 38. Prikaz funkcij za razveljavitev zadnje spremembe in vrnitev na prvotno obliko

orbitalnega diagrama [17].

Naslednji pomemben gumb ne levi strani je peti po vrsti od zgoraj dol. S tem gumbom

vklopimo funkcijo, ki je že sicer v osnovi aktivna, ki nam omogoča povečavo želenega dela

orbitalnega diagrama (slika 39). Kvadrat za povečavo izrišemo tako, da z miško kliknemo

nekje na grafu in nato gumb držimo ter poljubno izberemo območje, ki ga želimo povečati

(slika 39b).

a) b)

Slika 39. Prikaz možnosti na diagramu: a) gumb, kjer vključimo funkcijo za možnost

povečave kateregakoli dela na orbitalnem diagramu; b) območje na orbitalnem diagramu, ki

ga bomo povečali [17].

Vrnitev na prvotno obliko

Razveljavitev zadnje spremembe

Funkcija, ki omogoča povečanje želenega območja na grafu

Območje, ki smo ga izbrali za povečanje

Page 38: UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN … · 2017-11-27 · 3 UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN MATEMATIKO IZJAVA Podpisani MATJAŽ ČRČEK, roj. 25.01.1985,

38

Naslednje funkcije so sicer manj pomembne in jih tudi manj uporabljamo, ker imajo podobno

funkcijo kot prej opisana. Torej s pomočjo sledečih funkcij lahko posamezen del centriramo

in povečujemo ali v obratni smeri pomanjšujemo (slika 40 in 41). To naredimo tako, da se z

miško premaknemo nad tisto območje, ki ga želimo povečati ali zmanjšati. Nato z enim

klikom kliknemo na to območje na grafu.

Slika 40. Prikaz funkcij za centriranje in povečevanje oziroma pomanjševanje posameznega

območja na grafu [17].

Funkcija, s katero centriramo in povečamo izbrani del na grafu

funkcija, ki počne nasprotno od tiste nad njo, pomanjšuje graf

Page 39: UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN … · 2017-11-27 · 3 UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN MATEMATIKO IZJAVA Podpisani MATJAŽ ČRČEK, roj. 25.01.1985,

39

Slika 41. Prikaz funkcij, ki centrirata in pomanjšata od tiste točke, kjer smo kliknili na grafu

[17].

S predzadnjim gumbom pa lahko graf skrijemo ali pa ga ponovno izrišemo (slika 42).

Slika 42. Prikaz gumba, s pomočjo katerih lahko izrišemo ali izbrišemo graf [17].

Funkcija za pomanjšanje in centriranje po širini

Funkcija za pomanjšanje in centriranje po višini

Izris ali izbris grafa

Page 40: UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN … · 2017-11-27 · 3 UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN MATEMATIKO IZJAVA Podpisani MATJAŽ ČRČEK, roj. 25.01.1985,

40

4. FRAKTALI

Fraktali so geometrija kaosa in so tudi sami po sebi geometrijske oblike. Razdelimo jih lahko

na manjše kose in vsak kos bo podoben prvotnemu kosu, le manjši bo, kar imenujemo

samopodobnost. Posebnost fraktalne strukture je, da jo lahko povečujemo v nedogled, vsaj v

matematičnem svetu. Fraktalno strukturo smo že videli v poglavju 3.4.3, ko smo opisovali

orbitalne diagrame. Ti diagrami imajo neskončno krat razcepljeno samopodobno strukturo.

Veje se razcepijo v vile oziroma v dve novi veji in vsaka naslednja veja se prav tako razcepi v

še dve naslednji veji. Kasneje smo opazili urejenost znotraj kaosa, kot periodična okna in na

koncu le-teh opazimo majhne orbitalne diagrame (slika 43a), ki so majhne kopije prvotnega

diagrama, kar je tudi fraktalna struktura.

Slika 43. a) Prikaz periodičnega okna s periodo 3 in na koncu majhne kopije orbitalnega

diagrama, ki izgledajo kot prvoten diagram; b) prvoten orbitalni diagram [15].

Fraktalno strukturo najdemo tudi v Lorenzevem čudnem atraktorju (slika 8c). Lorenz je že

takrat dejal, da na stiku dveh kril, kjer izgleda, kot da se dve plasti srečata in sekata druga z

drugo, da je to nemogoče, kajti potem bi to kršilo determinizem. Namreč iz trenutnega stanja

je lahko samo ena preteklost in ena prihodnost, sekanje dveh površin pa bi pomenilo, da se

lahko v enem sistemu zgodita dve preteklosti ali dve prihodnosti. Zaključil je, da je

neskončno število teh površin zelo tesno skupaj, vendar se nikoli ne srečajo. Tako vidimo

osnovo kaosa, in sicer da sovpada s strukturo z neskončnimi plastmi. To si lažje

predstavljamo kot že prej omenjen primer z listnatim testom, kjer so plasti zelo tesno skupaj

in se ne sekajo. Primer povečevanja v neskončnost in samopodobnosti srečamo tudi pri

Mandelbrotovem setu (slika 44).

a) b)

Page 41: UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN … · 2017-11-27 · 3 UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN MATEMATIKO IZJAVA Podpisani MATJAŽ ČRČEK, roj. 25.01.1985,

41

Slika 44. Mandelbrotov set: a) prvotna podoba; b) povečava dela, označenega na sliki a; c)

povečava dela, označenega na sliki b [18].

Spoznali smo matematični model, in sicer Mandelbrotov set. Ta simulacija nam pomaga pri

prikazu fraktalov in lastnosti le-teh. Spreminjamo lahko velikost oziroma resolucijo slike,

nato ali želimo sami izbrati območje povečave ali naj to naredi simulacija avtomatsko.

Naslednjo stvar, ki jo lahko spremenimo, je samo lepotnega pomena, to je barva ozadja.

Zadnja stvar, ki jo lahko spremenimo, je izbira izhodiščne točke, v kateri želimo začeti

simulacijo. Izbiramo lahko med osnovno nastavitvijo, kar je celotna podoba, druge možnosti

pa so posamezne točke na tem setu (slika 45).

a) b) c)

Page 42: UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN … · 2017-11-27 · 3 UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN MATEMATIKO IZJAVA Podpisani MATJAŽ ČRČEK, roj. 25.01.1985,

42

Slika 45. Prikaz možnosti, ki nam jih ponuja simulacija Mandelbrotovega seta [18].

Izbira želene velikosti oziroma resolucije

Nastavitev »manual« pomeni, da lahko

sami izberemo območje, ki ga želimo

povečati. Nastavitev »auto« pa pomeni, da

simulacija sama izbere območje povečave.

Izbira barve simulacije

Tukaj lahko izberemo, s katerim območjem

Mandelbrotovega seta bomo začeli simulacijo. Če

želimo začeti s celotnim Mandelbrotovim setom,

potem izberemo nastavitev »default«.

Tipka za pričetek simulacije

Page 43: UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN … · 2017-11-27 · 3 UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN MATEMATIKO IZJAVA Podpisani MATJAŽ ČRČEK, roj. 25.01.1985,

43

Ko smo enkrat nastavili želene parametre, kliknemo na gumb »Go!« (slika 45) in prikaže se

nam simulacija (slika 46).

Slika 46. Simulacija Mandelbrotovega seta [18].

Za izbiro območja, ki ga želimo povečati, se z miško premaknemo tja in pritisnemo levi gumb

miške ter ga držimo in hkrati premikamo miško. S tem bomo označili območje, ki ga želimo

povečati (slika 47), nato gumb spustimo.

Slika 47. Z likom označeno območje, ki ga želimo povečati [18].

Za postopek v obratni smeri, torej da se vračamo in pomanjšujemo v simulaciji, enostavno

pritiskamo desni gumb miške.

Vidimo, da se struktura ponavlja v nedogled, ne glede na to kolikokrat povečamo sliko in ne

glede na velikostno skalo. V nasprotju z Evklidovimi oblikami, kjer se struktura ne ponavlja,

in s povečevanjem le-ti izgledajo bolj in bolj brez oblike. Kot primer Evklidovega lika lahko

pogledamo krog (slika 48). Ko povečamo en del krožnice, se ne pojavi več krog, ampak le

krožni lok, če ponovno povečamo en majhen del krožnega loka, vidimo, da na koncu izgleda

kot ravna črta. Torej nobene podobnosti s prvotno obliko [19].

Območje, ki ga želimo povečati

Page 44: UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN … · 2017-11-27 · 3 UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN MATEMATIKO IZJAVA Podpisani MATJAŽ ČRČEK, roj. 25.01.1985,

44

Slika 48. Primer nefraktalne strukture na primeru kroga [20].

Značilnost fraktalov je, da je njihova dolžina, površina ali volumen odvisen od dolžine merila,

s katerim merimo izbrano količino.

Slika 49. Primer fraktalne strukture strele. Nazorno vidimo, da iz fotografij ne moremo

uganiti merila [21].

Page 45: UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN … · 2017-11-27 · 3 UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN MATEMATIKO IZJAVA Podpisani MATJAŽ ČRČEK, roj. 25.01.1985,

45

4.1 Fraktali v naravi

Fraktale pa najdemo tudi v naravi okoli nas. Primer tega so oblaki, gore (slika 50a), snežinke

(slika 50b), barvni vzorci na koži nekaterih živali, oblika pokrajine (slika 50c). Najdemo jih

tudi v zelenjavi (slika 50d). Njihova lastnost povečevanja v nedogled v matematičnem svetu

se razlikuje od tega, kar srečamo v naravi, kajti v naravi vseh stvari ne moremo povečevati v

nedogled, ker na atomski ali molekularni skali stvari niso takšne, kot smo jih videli na

orbitalnih diagramih. Povečava, ki je še smiselna v največ primerih, je dva velikostna reda

(faktor 100) [19].

Slika 50. Fraktali v naravi. a) Kanadske gore v Britanski Kolumbiji [22]; b) snežinka [23]; c)

vzhodna obala Grenlandije [24]; d) brokoli [25].

4.2 Dimenzije fraktalov

Na začetku tega poglavja smo spoznali posebnost fraktalov, ki smo jo poimenovali

samopodobnost. Videli smo, da ohranjajo prvotno obliko ne glede na velikostno skalo, zato

jih je težje preučevati. Fraktale karakteriziramo s fraktalno dimenzijo. Pri Evklidovih oblikah

poznamo enodimenzionalne oblike, kot je črta, nato dvodimenzionalne oblike, kot primer

ravnina in tridimenzionalne oblike, kot so predmeti. Vendar se pojem dimenzije kot celo

a) b) c)

d)

Page 46: UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN … · 2017-11-27 · 3 UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN MATEMATIKO IZJAVA Podpisani MATJAŽ ČRČEK, roj. 25.01.1985,

46

število pri fraktalih izkaže neuporabno. Najprej poglejmo primer, kako določimo dimenzijo,

če gledamo mrežo, sestavljeno iz posameznih kvadratov (slika 51).

Slika 51. Mreža sestavljena iz manjših kvadratov, zaradi katerih ima lastnost samopodobnosti,

kajti vsak manjši kvadrat izgleda kot prvoten kvadrat: a) mreža 4 kvadratov; b) mreža 9

kvadratov [26].

Mreža, sestavljena iz posameznih kvadratov, ima lastnost samopodobnosti, ker če jo

razrežemo v posamezne kvadrate, ti izgledajo kot prvoten kvadrat. Na sliki 51a vidimo, da

smo kvadrat razrezali na 4 enake dele, kar pomeni, da lahko zapišemo, da je 4 � 2� in na sliki

51b smo kvadrat razrezali na 9 enakih delov in lahko zapišemo 9 � 3�. Eksponent v obeh

primerih pomeni dimenzijo kvadrata [19]. Na primeru Rubikove kocke (slika 52) lahko

vidimo, če jo razrežemo tretjinsko po višini in širini, potem dobimo 27 manjših kock, ki so

vse enako velike, prav tako pa vsaka posamezna manjša kocka izgleda kot prvotna kocka.

Sedaj lahko zapišemo 27 � 3�, kjer eksponent 3 pomeni dimenzijo telesa.

Slika 52. Rubikova kocka [27].

Iz teh primerov sledi enačba, po kateri definiramo dimenzijo stvari, ki jo preučujemo. V

enačbi nastopa m, ki pomeni število manjših kopij celote, r, ki pomeni faktor, za katerega

zmanjšamo objekt. Na primeru mreže iz kvadratov smo najprej mrežo zmanjšali za faktor 2

a) b)

Page 47: UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN … · 2017-11-27 · 3 UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN MATEMATIKO IZJAVA Podpisani MATJAŽ ČRČEK, roj. 25.01.1985,

47

(slika 51a) in za faktor 3 (slika 51b), na primeru Rubikove kocke smo jo tudi zmanjšali za

faktor 3. V enačbi nastopa tudi d, in sicer v eksponentu ter predstavlja dimenzijo objekta.

Sledi enačba:

� � ��2

S pomočjo enačbe (2) pa lahko določimo tudi dimenzije fraktalov, s čimer se je ukvarjal

švedski matematik Helge von Koch. Stvari se je lotil s čisto preprostim Evklidovim

predmetom, in sicer s tanko črto, kot lahko vidimo na sliki 53a. Nato to črto razdelimo na tri

enake dele in srednji del nadomestimo s krakoma enakostraničnega trikotnika, vendar pri tem

srednji del izbrišemo. Postopek ponavljamo v neskončnost in vsakič, ko imamo ravno črto, jo

razdelimo na tri enake dele in jo nadomestimo s štirimi črtami tako, da bo vsak del črte

izgledal kot del črte na sliki 53b.

Slika 53. Prikaz Kochove krivulje: a) Evklidov predmet, ravna črta; b) prvo generiranje; c)

drugo generiranje; č) tretje generiranje; d) četrto generiranje [26].

Ta primer imenujemo Kochova krivulja, ki spada med rekurzivne objekte, saj smo osnovni

objekt preoblikovali v več enakih objektov. Prav tako ima Kochova krivulja lastnost

samopodobnosti, namreč krivuljo lahko razdelimo na 4 enake dele, ki izgledajo enako kot

prvotna krivulja (slika 54).

a)

b)

c)

č)

d)

Page 48: UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN … · 2017-11-27 · 3 UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN MATEMATIKO IZJAVA Podpisani MATJAŽ ČRČEK, roj. 25.01.1985,

48

Slika 54. Prikaz lastnosti samopodobnosti Kochove krivulje: a) prvotna Kochova krivulja; b)

povečan en del Kochove krivulje [26].

In sedaj, če poskušamo izračunati dimenzijo Kochove krivulje s pomočjo enačbe (2), dobimo

z logaritmi rezultat d = 1,26. To pomeni, da je dimenzija krivulje več kot 1 in manj kot 2,

vendar to ni edina posebnost te krivulje, posebno je tudi to, da ima neskončno dolžino loka,

med poljubnima dvema točkama [19].

4.3 Fraktali v našem telesu

V prejšnjih poglavjih smo fraktale srečali v matematičnem svetu, kjer smo povečevali sliko v

neskončnost in vsaka manjša podoba objekta je izgledala kot prvoten objekt, kajti gledali smo

na brez velikostni skali. Kasneje smo videli, da fraktali nastopajo v naravi okoli nas (slika 52).

V tem poglavju pa bomo videli prisotnost fraktalne strukture v našem telesu in telesu živali.

Vendar najprej se vprašajmo, zakaj je narava oziroma evolucija izbrala fraktalno strukturo.

Odgovor na to vprašanje ni samo eden, ampak je sestavljen iz več različnih dejavnikov, ki so

vplivali na takšen razvoj. Prvi izmed njih je ta, da je fraktalna struktura zelo učinkovita pri

prenašanju informacij ali kakršnih koli drugih snovi skozi tri dimenzionalno telo z uporabo

eno dimenzionalnih cevk. Vemo, da mora biti v telesu vsaka celica povezana, saj vsaka celica

potrebuje hranilne snovi ali komunikacijo v primeru hormonov ali v primeru potovanja

signala po živcu. Zato je dober pristop, če imamo glavno vejo, ki se nato razdeli v več

manjših in te se nato delijo naprej v vedno manjše veje, ki so na koncu tako številčne in

majhne, da dosežejo vsako celico. Drugi razlog je ta, da fraktalna struktura ustvari veliko

površino v zaprtem ali utesnjenem prostoru, kar je zelo pomembno pri pljučih, kjer pride do

izmenjave plinov ali pri absorpciji hrane v črevesju. Tretji razlog pa je ta, da je fraktalni načrt

dokaj trivialen. Potrebno je le razviti cevko, ki se nato razdeli v manjše cevke in te se

a) b)

Page 49: UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN … · 2017-11-27 · 3 UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN MATEMATIKO IZJAVA Podpisani MATJAŽ ČRČEK, roj. 25.01.1985,

49

razdelijo v še manjše cevke in tako naprej [19]. Omenili smo že, da je fraktalna struktura

prisotna v pljučih (slika 55a), žilni sistem v roki (slika 55b) itd.

Slika 55. Fraktali znotraj našega telesa: a) pljuča v človeškem telesu; b) žilni sistem v

človekovi roki [28].

a) b)

Page 50: UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN … · 2017-11-27 · 3 UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN MATEMATIKO IZJAVA Podpisani MATJAŽ ČRČEK, roj. 25.01.1985,

50

5. UPORABA KAOSA V VSAKDANJEM ŽIVLJENJU

Veliko časa je bilo potrebnega, da so znanstveniki in inženirji kaos sprejeli kot nekaj

uporabnega in s čimer si lahko pomagajo. Kot že pove samo ime, je kaos deloval zelo

neurejeno in kot teorija, ki je neuporabna pri vsakdanjih stvareh, ker bi naj bila preveč

zapletena in kaotična. V znanosti in inženirstvu pa nepredvidljive stvari niso dobrodošle.

Večji premik in nov pogled na teorijo kaosa na teh področjih se je zgodil približno leta 1990.

Izdana je bila publikacija z naslovom »Controling Chaos« (Kontroliranje kaosa) [19].

Ponovno se srečamo z navidezno nasprotujočima pojmoma, kajti že v prejšnjih poglavjih smo

videli, da kaosa ni mogoče kontrolirati popolnoma. Vendar po drugi strani, pa je kaos mogoče

nadzorovati z majhnimi dregljaji in le-ti lahko povzročijo, da kaotični sistemi ustvarijo močne

in disproporcionalne efekte, kajti ti sistemi so zelo dovzetni za majhne spremembe. Strategijo

kontroliranega kaosa so razvili trije raziskovalci iz univerze Maryland. To so bili Ed Ott,

Celso Grebogi in Jim Yorke. Poudarili so, da v kaotičnih sistemih, ki vsebujejo čuden

atraktor, kot primer so videli v poglavju 2 Lorenzev atraktor, ter kaotično obnašanje okoli

tega čudnega atraktorja, znotraj katerega opazimo premikanje iz enega krila na naslednje krilo

po nepredvidljivem vzorcu, znotraj tega se pojavi tudi periodično gibanje, torej periodične

orbite, ki se natančno ponavljajo. Vendar te periodične orbite znotraj Lorenzevega atraktorja

so zelo občutljive na majhne spremembe. Zato jih tudi zelo težko opazimo, ker so tako

nestabilne, vendar vemo, da so tam. To si lahko predstavljamo, kot da bi želeli svinčnik

postaviti na njegovo konico. Načeloma svinčnik lahko stoji na konici, kar imenujemo stabilna

lega. Vendar že najmanjši dotik povzroči, da se svinčnik prevrne. Iz tega se naučimo, da

kaotični sistemi vsebujejo periodičnost oziroma urejenost, težavno je to le stabilizirati. K sreči

so te periodične poti zapakirane v čudnem atraktorju in kaotični sistemi želijo biti periodični,

mi moramo le poskrbeti, da se sistem ne izmakne iz teh periodičnih poti. S posamičnimi

majhnimi dregljaji lahko sistem ohranjamo na teh periodičnih poteh, katerim bo sistem sledil.

Vendar zaradi svoje nestabilnosti, se sistem lahko izmakne iz teh periodičnih poti, vendar ga

lahko ponovno usmerimo na periodično obnašanje, pri čemer moramo biti nežni, kajti kot smo

že spoznali, so takšni sistemi zelo občutljivi na majhne spremembe. Takšno kontroliranje

kaotičnega in nepredvidljivega sistema so uporabili inženirji pri izdelavi lovskega letala F-16.

To je bilo prvo letalo, ki je bilo namerno dizajnirano kot dinamično nestabilno, s čimer so

povečali zmožnost manevriranja in dosegli, da je letalo bilo veliko bolje vodljivo. Pilot brez

pomoči računalnika ne bi mogel leteti s tem letalom, zato računalnik v delčku sekunde letalo

konstantno popravlja in ga ohranja stabilnega. Ta nestabilnost je tista, ki povzroča, da je letalo

Page 51: UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN … · 2017-11-27 · 3 UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN MATEMATIKO IZJAVA Podpisani MATJAŽ ČRČEK, roj. 25.01.1985,

51

zelo odzivno že pri manjših premikih kontrolne ročice. Kajti, če je sistem stabilen, je potrebna

relativno velika motnja za opazno spremembo stanja. Kot primer so stare bojne ladje, ki so

bile zelo stabilne, ko so plule in zaradi tega jih je bilo veliko težje v trenutku obrniti. Najbolj

zanimiv način uporabe kaosa je pri načrtovanju vesoljskih potovanj z zelo malo goriva.

Trenutno je v uporabi manever, ki se imenuje Hohmannova orbita (slika 56).

Slika 56. Hohmannova orbita [29].

Postopek je sledeč: raketa po izstrelitvi kroži v Zemljini orbiti. Nato vključijo motorje in

poženejo raketo do hitrosti blizu hitrosti krogle, ki je približno 3,2 km/s. S takšno hitrostjo

tako raketa potuje naslednjih 400.000 kilometrov in ob tem porablja ogromno goriva. Ko se

približa Luni, bi jo s takšno hitrostjo enostavno preletela. Zato se mora raketa obrniti v

nasprotno smer uporabiti zavorne rakete, da jo dovolj upočasnijo, da raketo ujame Lunino

gravitacijsko polje. Samo ta zaviralni manever stane približno 130 milijonov dolarjev v

gorivu. Vendar je ta manever uporabljen, ker je matematično dobro razložen (to je z

matematičnega stališča problem 2 teles, ki je analitično rešljiv) in dokazan tudi v praksi.

Raketa z uporabo slednjega principa prispe do Lune v treh dneh. Drugačen pristop pa je ubral

matematik Ed Belbruno, ki je delal v laboratoriju, ki sodeluje z NASA. Stvari se je lotil s

kaosom, ki nastopa v problemu treh teles, ki so bila v tem primeru Zemlja, Luna in raketa.

Ideja je bila, da bi raketa »surfala« v gravitacijskem polju od Zemlje do Lune. Najprej bi

raketo izstrelili, za kar seveda potrebujemo gorivo, nato pa bi v orbiti vsake toliko časa

vklopili manjše motorje, da bi se počasi oddaljili od Zemlje. To bi počeli tako dolgo, dokler

nas ne bi k sebi potegnili gravitacijsko polje Lune. Za lažjo primerjavo si lahko predstavljamo

razliko med letalom in jadralcem. Jadralec izkorišča zračne tokove, da prispe do cilja. Letalo

pa uporablja velike motorje in se s pomočjo le-teh prebija skozi atmosfero. Le da namesto

zračnih tokov tukaj govorimo o gravitacijskih poljih. Belbruno je ta način potovanja rakete do

Lune dodobra razložil in dodelal podrobnosti, vendar pa je njegov način potovanja imel dve

slabosti. Prva slabost je ta, da je neskončno možnih poti. Ko se približamo določenemu delu v

bližini Lune, potem te poti postanejo zelo občutljive in kaotične, kajti vemo, da problem treh

Page 52: UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN … · 2017-11-27 · 3 UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN MATEMATIKO IZJAVA Podpisani MATJAŽ ČRČEK, roj. 25.01.1985,

52

teles je primer kaotičnega sistema. V takšni sistemih pa vemo, da začetni odkloni oziroma

odstopanja podvajajo eksponentno. To območje v bližini Lune je Belbruno poimenoval

»zamegljena meja«. V tej »meji« je problem, da je lahko raketa gravitacijsko pritegnjena s

strani Zemlje ali pa s strani Lune, o čemer odločajo zelo majhne razlike v začetnih pogojih.

Prav tako je »zamegljenem območju« pomembna hitrost rakete, ne le položaj, zato je prostor

v tej meji večji od tridimenzionalnega. Drugi problem takšnega potovanja pa je čas potovanja

do Lune. Pot bi trajala 2 leti, kar je v primerjavi s trenutnimi tremi dnevi zelo dolgo. Zato

takšen način potovanja rakete do Lune trenutno ni najbolj primeren. So pa na takšen način

rešili eno izmed dveh Japonskih sond, ki so jih Japonci poslali proti Luni. Ena sonda je bila

namenjena za pristanek na Luni, ta druga pa je služila kot relejna postaja. Tista sonda, ki je

bila namenjena na Luno, se je izgubila. Zato so Belbruna prosili, če bi lahko drugo sondo,

velikosti pisalne mize in ki ni bila namenjena za pristanek na Luni, z njegovimi izračuni in

skoraj brez goriva, ter s pomočjo problema treh teles, poslal na Luno. S sodelavci je našel

rešitev, ki pa je bila nepričakovana, saj je postala problem štirih teles. Najprej so sondo

usmerili do »zamegljene meje« med Zemljo in Soncem. Ko je sonda prišla do tega območja,

so sprožili motorje na sondi in jo varno prepeljali skozi to kaotično območje, kjer so porabili

zelo malo goriva. Nato je sonda potovala dalje do zamegljenega območja med Zemljo in Luno

in od tam do Lune, kjer se je sonda ujela v gravitacijsko polje Lune in leta 1991 uspešno,

seveda z majhno pomočjo motorjev po 5 mesecih potovanja, varno pristala na površju Lune. S

tem je Belbruno dokazal, da se na takšen način da potovati po vesolju in z zelo malo goriva.

NASA je nato pri misiji Genesis med leti 2001 in 2004 uporabljala takšen način planiranja

poti (slika 57), prav tako pa je na takšen način na Luno prispela sonda SMART-1 Evropske

vesoljske agencije. Torej, to je bil še en dokaz več, da je deterministično nepredvidljivost moč

uporabiti tudi v vesolju in s pomočjo katere je možno tudi potovanje v vesolju.

Page 53: UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN … · 2017-11-27 · 3 UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN MATEMATIKO IZJAVA Podpisani MATJAŽ ČRČEK, roj. 25.01.1985,

53

Slika 57. Prikaz determinističnega kaosa z medplanetarno super avtocesto, po kateri je

potovala sonda Genesis agencije NASA [30].

Po zadnjih izračunih in opazovanjih pa izgleda da takšen način potovanja po vesolju

uporabljajo tudi kometi in asteroidi v bližini Zemlje.

Page 54: UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN … · 2017-11-27 · 3 UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN MATEMATIKO IZJAVA Podpisani MATJAŽ ČRČEK, roj. 25.01.1985,

54

6. ZAKLJU ČEK

V delu sem predstavil, kaj je kaos in kje se z njim srečamo v vsakdanjem življenju. Najdemo

ga v naravi okoli nas, v rastlinah, pokrajinah ter celo v kuhinji. Videli smo, da se še tako

enostavni sistemi, ki delujejo urejeno, lahko sprevržejo v nered, v kaos. Vendar to ne pomeni,

da je okoli nas samo nered, saj se v kaosu skriva določena predvidljivost, ki ustvarja urejene

stvari, kot je življenje samo ali začetek vesolja itd. To pomeni, da se teorija kaosa ukvarja

izključno z determinističnimi sistemi, kar pomeni, da sedanje stanje narekuje, kakšna bo

prihodnost. Prav tako nam to pove, da je zelo veliko urejenosti in predvidljivosti v kaosu, ki

smo ju lahko napovedali za daljše časovno obdobje. Kot primer smo opazovali sistem v

faznem prostoru, kjer smo videli, da kaotičen sistem ne zapolni celotnega faznega prostora kot

zmazek, ampak se pojavijo urejene strukture, ki smo jih poimenovali čudni atraktorji. Po

drugi strani je vsak nelinearen sistem kaotičen, odvisno je le, po kolikšnem času se urejenost

spremeni v kaos. Ta karakteristični čas, ki ga imenujemo horizont predvidljivosti, je za vsak

sistem drugačen. Merimo ga lahko v milisekundah ali pa tudi v milijonih let. Ni pomembno,

kako skupaj dva sistema začneta, ne glede na to kako podobni so bili začetni pogoji, vedno je

nekaj odstopanja in prav ta majhna odstopanja nas privedejo do popolnoma drugačne

prihodnosti, kar smo spoznali kot učinek metulja. Zaradi tega ne moremo nikoli vedeti,

kakšna bo naša prihodnost ali prihodnost kakšnega sistema. Vse je v rokah in zakonih kaosa.

Proti koncu smo spoznali čudovite strukture, ki smo jih poimenovali fraktali. Predstavili smo

jih v matematičnem svetu, prav tako smo videli primere v naravi in v našem telesu. Najbolj so

nas navdušili z dvema lastnostma, in sicer samopodobnost in dimenzija fraktalov, ki je lahko

necela številka.

V tem delu naloge smo tako spoznali, da je rdeča nit kaosa urejenost in neurejenost znotraj

determinističnih sistemov, ki so nelinearni. Tako smo videli, da so v naravi nelinearni sistemi

tisti, ki poganjajo svet okoli nas in da so linearni primeri posebnost.

Page 55: UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN … · 2017-11-27 · 3 UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN MATEMATIKO IZJAVA Podpisani MATJAŽ ČRČEK, roj. 25.01.1985,

55

LITERATURA

[1] S. Strogatz, Chaos Part I, (The Teaching Company, 2008, ISBN 1-59803-451-0)

[2] Wikipedia, pridobljeno 3. 3. 2011 iz: http://sl.wikipedia.org/wiki/Determinizem

[3] Steven Strogatz, 04. ChaosFound and Lost Again, (videoposnetek), The Teaching

Company, 2008

[4] SolidWorks Motion, Modeling chaos by a double pendulum in SW Motion, pridobljeno

20. 2. 2011 iz: http://www.solidworks-apac.com/2010/06/14/modeling-chaos-by-a-double-

pendulum-in-sw-motion/

[5] My Phisics Lab, Double Pendulum, spletna povezava:

http://www.myphysicslab.com/dbl_pendulum.html

[6] Interactive textbook on clinical symptom research, A Study of insomnia and Sleep Loss,

pridobljeno 20. 2. 2011 iz:

http://symptomresearch.nih.gov/chapter_15/part_3/sec3/cjspt3s3pg2.html

[7] Franz-Josef Elmar, Sensitivity on the initial conditions, pridobljeno iz strani:

http://www.elmer.unibas.ch/pendulum/p4ab.htm

[8] Steven Strogatz, 07. Picturing Chaos as Order—Strange Attractors, (videoposnetek), The

Teaching Company, 2008

[9] University of Waterloo, Java Applets for Chaos and Fractals, pridobljeno 20. 3. 2011 iz:

http://www.falstad.com/vector/

[10] Exploratorium, Complexity, spletna povezava:

http://www.exploratorium.edu/complexity/java/lorenz.html

[11] Vimeo, Lorenz Attractor Simulation, spletna povezava: http://vimeo.com/19419417

[12] Steven Strogatz, 09. How system turn chaotic, (videoposnetek), The Teaching Company,

2008

[13] The Geometry Center, Iteration versus time for the Logistic map, pridobljeno 20.3.2011

iz: http://www.geom.uiuc.edu/~math5337/ds/applets/iteration/Iteration.html

Page 56: UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN … · 2017-11-27 · 3 UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN MATEMATIKO IZJAVA Podpisani MATJAŽ ČRČEK, roj. 25.01.1985,

56

[14] Electrical Devices and Physical Engineering, Time Series of Logistic Map, spletna

povezava: http://brain.cc.kogakuin.ac.jp/~kanamaru/Chaos/e/Logits/

[15] Boston University, Department of Mathematics and Statistics, pridobljeno dne 20. 3.

2011 iz: http://math.bu.edu/DYSYS/applets/bif-dgm/Logistic.html

[16] Steven Strogatz, 11. Universal Features of the Route to Chaos, (videoposnetek), The

Teaching Company, 2008

[17] Chaos for Java, povezava: http://astarte.csustan.edu/~tom/SFI-

CSSS/nonlinear/Chaos.html

[18] Harald Schmidt, Mandelbrot Applet, pridobljeno 2. 6. 2011 iz: http://www.h-

schmidt.net/MandelApplet/mandelapplet.html

[19] Steven Strogatz, Chaos Part II, (The Teaching Company, 2008, ISBN 1-59803-451-0)

[20] Steven Strogatz, 14. The Properties of Fractals, (videoposnetek), The Teaching

Company, 2008

[21] Uncyclopedia, Lightning Bolt, pridobljeno 2. 6. 2011 iz:

http://uncyclopedia.wikia.com/wiki/File:Lightning_Bolt.jpg

[22] Fractal Foundation, Mountain Fractals, pridobljeno 1. 3. 2011 iz:

http://fractalfoundation.org/images/photo/3251378406/mountain-fractals.html

[23] Road Schooled, Fractals in Nature – Discover the Beauty of Mathematics, pridobljeno

1.3.2011 iz: http://www.roadschooled.com/2009/06/fractals-in-nature-discover-the-beauty-

of-mathematics/

[24] NASA, Earth Observatory, pridobljeno 2. 3. 2011 iz:

http://earthobservatory.nasa.gov/NaturalHazards/view.php?id=18712&oldid=14378

[25] Photo.net, Alfredo Matacotta- Photos of nature, pridobljeno 2. 3. 2011 iz:

http://photo.net/photodb/photo?photo_id=1236856

[26] Steven Strogatz, 15. A New Concept of Dimension, (videoposnetek), The Teaching

Company, 2008

Page 57: UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN … · 2017-11-27 · 3 UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA NARAVOSLOVJE IN MATEMATIKO IZJAVA Podpisani MATJAŽ ČRČEK, roj. 25.01.1985,

57

[27] Andrej Mernik, Blog: Dobil sem Rubikovo kocko, pridobljeno 2. 6. 2011 iz:

http://andrej.mernik.eu/blog/2008/06/17/dobil-sem-rubikovo-kocko/

[28] Yale University, Fractal Geometry: Biology, pridobljeno 2. 6. 2011 iz:

http://classes.yale.edu/fractals/panorama/Biology/Physiology/Physiology.html

[29] The Full Wiki, Elliptic orbit, pridobljeno 2. 6. 2011 iz:

http://www.thefullwiki.org/Elliptic_orbit

[30] Russel O' Connor, Chaotic Orbits, pridobljeno 3. 6. 2011 iz:

http://r6.ca/blog/20050712T171400Z.html