¿Por qué las ramas de los árboles, las grietas en el suelo, los rayos, etc. tienen formas similares?

Como Adrian Bejan explica inmaculadamente en su libro “Design in Nature”, todo se debe a la ley de construcción. La ley de la física que guía el desarrollo de los organismos es la misma para la naturaleza inanimada y los sistemas de ingeniería. Para que un sistema de flujo de tamaño finito persista en el tiempo (para vivir), su configuración debe evolucionar de tal manera que proporcione un acceso más fácil a las corrientes que fluyen a través de él.

Todo lo que se mueve, ya sea animado o inanimado, es un sistema de flujo. Todos los sistemas de flujo generan forma y estructura a tiempo para facilitar este movimiento a través de un paisaje lleno de resistencia (por ejemplo, fricción). Los diseños que vemos en la naturaleza no son el resultado de la casualidad. Surgen de forma natural, espontánea, porque mejoran el acceso al flujo a tiempo. Los sistemas de flujo tienen dos características básicas (propiedades). Existe la corriente que fluye (por ejemplo, fluido, calor, masa o información) y el diseño a través del cual fluye. Un rayo, por ejemplo, es un sistema de flujo para descargar electricidad de una nube. En un instante, crea una estructura ramificada brillante porque es una forma muy eficiente de mover una corriente (electricidad) de un volumen (la nube) a un punto (el campanario de la iglesia). La evolución de una cuenca fluvial produce una arquitectura similar porque también está moviendo una corriente (agua) desde un área (la llanura) a un punto (la desembocadura del río). También encontramos una estructura en forma de árbol en los conductos de aire en los pulmones (un sistema de flujo de oxígeno), en los capilares (un sistema de flujo de sangre) y las dendritas de las neuronas en nuestros cerebros (un sistema de flujo de señales e imágenes eléctricas). ) Este patrón en forma de árbol surge en toda la naturaleza porque es un diseño efectivo para facilitar los flujos de punto a área y de área a punto. De hecho, donde sea que encuentre tales flujos, encontrará una estructura en forma de árbol.

Esto ha sido evidenciado por el estudio experimental de una cuenca artificial en el piso del laboratorio. La figura anterior muestra la evolución de una cuenca fluvial en una capa porosa con resistencia uniforme a la erosión (n es el número de granos eliminados por el proceso de erosión, es decir, la medida del tiempo). [Del diseño en la naturaleza , por Adrian Bejan y J Peder Zane]

La figura anterior muestra que el diseño une lo animado con lo inanimado. El fenómeno de la generación y evolución del diseño es exhibido por todos los sistemas de flujo: si vemos un patrón, entonces algo fluye o fluye. El lado izquierdo muestra el delta del río Lena en el norte de Siberia. El lado derecho muestra un molde del pulmón humano (Cortesía del Prof. Ewald Weibel, Universidad de Berna).

Estas formas, junto con muchas otras en diferentes escalas y en muchos contextos diferentes, son las llamadas estructuras disipativas y se relacionan con la teoría de la complejidad. Sus formas características emergen dinámicamente durante los procesos de flujo o disipación. En este sentido, se puede decir que son causados ​​desde el exterior. Sin embargo, sus límites emergen desde el interior del sistema, logrando un tipo de equilibrio dinámico autorregulador puntuado por cambios de tipo de caos, por lo que en otros sentidos puede considerarse como auto-formativo. Estos sistemas son de naturaleza totalmente ubicua, lo que sugiere que hay algo fundamental en su mecánica. Puede ver por la variedad de respuestas a esta pregunta que esto aún no se ha resuelto. Lea los libros de Fritjof Capra para una discusión realmente inspiradora, y creo que accesible.

La ramificación de los rayos es el resultado de la ruta de carga eléctrica de uno de alto potencial a uno de bajo potencial; La ramificación de la rama de un árbol es el resultado del camino de crecimiento desde un menor potencial de exposición a la luz hasta uno de mayor potencial de exposición a la luz. Y cada rama para el rayo y el árbol “quiere” mantenerse alejada de otras ramillas porque (en el caso del árbol) se repelen entre sí en el sentido de que ambos buscan el cielo más azul y (en el caso del rayo ) cada ramificación se repelen entre sí porque son de la misma carga.

Ahora, en el caso de grietas de barro o arcilla a medida que se seca, hay una distribución mucho más uniforme de las grietas en un área determinada en lugar de una direccionalidad abrumadora como con el árbol y los rayos. Esto se debe a que la arcilla, básicamente, se encoge cuando se seca. Por lo tanto, algo tiene que pasar con la distribución de la arcilla, ya que se está volviendo sólida al mismo tiempo que comienza a ocupar menos espacio, todo mientras ocupa la misma cantidad de bienes inmuebles. Ese “algo” es el agrietamiento, que al principio es aleatorio, pero una vez que comienza una grieta, es más fácil que continúe que que otro pedazo de arcilla comience a agrietarse por un estado de no haber sido agrietado. Dado que este tipo de patrón de grietas en la superficie de la arcilla generalmente aparece en superficies planas y uniformes, la cantidad de secado para obtener las primeras grietas generalmente ocurre en todas partes de la superficie simultáneamente. Entonces obtienes el patrón como se ve en la imagen de arriba.

Los rayos son básicamente una corriente eléctrica. ¡La temperatura del rayo es de alrededor de 27,000 grados Celsius, que es 6 veces más caliente que el sol !

Al igual que los humanos tienden a hacer, a los rayos les gusta seguir el camino de menor resistencia, es decir, el camino donde habría una mínima oposición a su flujo.

Para entender esto, imagine que tiene un montón / montículo de tierra o arena. Ahora, cuando vierte agua sobre él, justo en la cima del montículo, ¿cómo fluye el agua hacia abajo? ¿Siempre fluye en línea recta? ¿Hay un patrón específico al que se adhiere?

No claro que no. No hay un patrón o camino específico que el agua tome para descender. Lo mismo es cierto en el caso de los rayos.

El aire está compuesto de muchas cosas, incluidos ciertos gases, partículas de polvo, contaminantes y otras sustancias. Sin embargo, esta mezcla no es homogénea, lo que significa que no es uniforme. El aire es irregular e irregular, por lo que cuando se forman rayos (debido a la diferencia potencial de las cargas), se asegura de que el camino que elija esté despejado o tenga la menor resistencia posible.

El camino que elige no tiene que ser una línea recta (recuerde, una línea recta significa ‘la menor distancia’ y no ‘la menor resistencia’). De hecho, nunca verá un rayo de luz, al menos no en el mundo real.

¿Por qué las ramas de los árboles, las grietas en el suelo, los rayos, etc. tienen formas similares?

Cualquier cosa que ocurra con la naturaleza siempre seguirá el camino más corto.

El árbol se ramifica para un camino específico, ya que sigue el camino más cercano durante la fotosíntesis. Incluso si hay viento en su camino, intentará el camino más corto del vector resultante. Por lo general, da como resultado una forma extraña de ramas.

Las grietas en el suelo siempre seguirán el camino más corto y menos estresado cuando se rompa.

Los rayos caen por el aire con una trayectoria que tiene menos resistencia a la conducción, ya que ioniza el aire. Por lo tanto, siempre es una buena idea no estar en su camino, por esta misma razón.

A excepción de los humanos , la regla se invierte un poco. No hay atajos en la vida.

Puede ser útil pensar en un proceso de contraste: la propagación de una gota de agua sobre una encimera. El agua no forma ramas. Permanece más o menos circular (si la encimera está nivelada) y se vuelve más delgada a medida que se hace más grande.

Figura de Dinámica de la propagación del agua sobre una superficie de vidrio, Journal of Colloid and Interface Science 277 (2): 424-36 · Septiembre de 2004 Dinámica de la dispersión del agua sobre una superficie de vidrio

La razón es que el agua tiene una alta energía superficial. Es decir, se necesita energía para aumentar el área de superficie de una gota de agua. Entonces, si desea obtener un patrón de agua interesante en su mostrador, debe cerrar el agua lo suficientemente fuerte como para romperlo y dispersarlo.

La diferencia con el aligeramiento, las grietas y la ramificación es que no hay penalización de energía para que los procesos locales que suceden en cada punto cooperen o se unan. Cada evento de ionización en un rayo puede conducir a otro, independientemente de lo que esté sucediendo en otras partes del rayo. En el caso de la ramificación de los árboles, como han dicho otros, en realidad hay una recompensa de más luz solar para las ramas que van a donde ninguna otra rama ha ido antes.

ps, el craqueo en estructuras 3D es más complejo. En algunos casos, las grietas se unen en grandes grietas y roturas.

Veamos que tenemos.

rayos, ramificaciones de árboles, grietas. también

Raíces

Neuronas O capilares en general.

Río deltas

Nebulosas explosivas en el espacio

Tejidos de hojas

Muy bien, ¿eh?

Como todo el mundo ha mencionado, es el patrón fractal en la naturaleza el que simplemente existe. Pero echemos un vistazo de todos modos.

No estoy de acuerdo con la teoría declarada de que las ramas siguen el camino con la menor resistencia, más bien se aplica en general, pero aquí no explica el patrón. Yo creo,

Cada vez que algo crece de algo pequeño, más concentrado y denso. Sale con formas irregulares que parecen aleatorias para la mayoría.

Lo que está sucediendo aquí es que hay múltiples competidores activos para una apertura y, a medida que avanzan, la concentración cae hacia los extremos, pero la fuente lo supera y ahora esto se convierte en un anfitrión para la apertura. multiplicando así exponencialmente.

Lo que es mejor llamar, patrones fractales.

Nada muy aleatorio en la naturaleza. La razón por la que esa ramita no está a 3 pulgadas a la izquierda es porque la naturaleza conspiró.

Los fractales describen modelos matemáticos para estructuras que muestran una propiedad de simetría propia en diferentes niveles de escala o invariancia de escala. Por ejemplo, una rama de rama parece un tronco de árbol ramificado o un caracol bebé forma una espiral como un adulto. Lo que está notando es la comunidad de un algoritmo, “rama” que luego se repite de manera invariable en la escala. Los mecanismos que promueven la ramificación difieren, pero el patrón resultante de “ramifica, repite” es el mismo. Las estructuras con comportamientos fractales a menudo se encuentran en la naturaleza.

Un ejemplo de un patrón no fractal sería un tenedor o pie de pollo que se ramifica pero no se repite. Los dedos de los pies se debilitan a medida que aumentan en número, por lo que el número se limita a típicamente 0 (casco), 2, 3, 5. La invariancia de escala puede ocurrir cuando la estructura no tiene factores limitantes. Por ejemplo, los vasos sanguíneos no pueden escalar por debajo del tamaño de una célula sanguínea, pero un solo corazón y aorta pueden transferir grandes cantidades de células.

¿Por qué las ramas de los árboles, las grietas en el suelo, los rayos, etc. tienen formas similares?

Mire el cuerpo humano y podrá ver qué tan cerca están los humanos de la naturaleza. Creo que esto se debe a un proceso evolutivo.

La ciencia explicará el cómo, pero la religión explicará el por qué. Hacer las grandes preguntas como esta hará que las personas de ambos lados le den respuestas comparables que puede elegir aceptar o no.

Cuando dicen cenizas a cenizas y polvo a polvo en un funeral, literalmente significan que los sistemas en nuestro trabajo corporal se muestran en los seres vivos. Entonces, ¿cómo estamos todos conectados?

Imagínese caminando por un camino que se bifurca a intervalos regulares. Lanza una moneda en cada cruce de caminos para decidir si tomar a la derecha o izquierda. El camino que tome se verá un poco como un rayo después de varias encrucijadas, excepto que está excesivamente simplificado.

En la mayoría de los fenómenos naturales, el intervalo en el que el camino se divide tiende a cero, el número de divisiones tiende al infinito, las probabilidades de tomar diferentes caminos no son iguales (por ejemplo, los árboles proyectan ramas donde hay más luz solar comparativamente; los materiales son más frágiles en en algunos lugares que en otros; la conductividad eléctrica es más alta a lo largo de algunos caminos debido a la acumulación instantánea de vapores, etc.) y, por último, partes de usted pueden desprenderse y tomar diferentes caminos de acuerdo con esas probabilidades.

Estas formas ocurren cada vez que algo toma un camino aleatorio de infinitas opciones.

Si observa cuidadosamente, verá que, a diferencia de las grietas en el barro seco, los caminos de los rayos y las ramas de los árboles no se cruzan. Los relámpagos, las figuras de Lichtenberg, las ramas de los árboles, su sistema circulatorio, sus pulmones y los sistemas de drenaje de los ríos tienden a formar estructuras de ramificación auto-similares que pueden describirse matemáticamente usando fractales. Su forma común parece estar relacionada con patrones que tienen el flujo más eficiente. El material que fluye puede ser savia y nutrientes en las plantas, agua en los ríos, sangre en el cuerpo, aire en los pulmones e incluso electrones (!) Dentro de los rayos y las figuras de Lichtenberg. Aunque la física subyacente es diferente para todos estos sistemas, los patrones resultantes son sorprendentemente similares. Algunos investigadores piensan que estos patrones similares pueden ser el resultado de una propuesta de ley fundamental de la naturaleza, llamada Ley de Construcción. Puede encontrar información útil adicional aquí:
http://www.capturedlightning.com …
https://en.wikipedia.org/wiki/Co …

Sabemos que la composición del aire no es uniforme … en algún lugar es más húmedo, en algún lugar seco, mientras que en algún lugar polvoriento. Entonces, cuando la iluminación entra en esta composición variable de aire para obtener el camino de menor resistencia, resulta en una forma arbitraria (similar a los árboles o grietas).

la forma da idea del camino … que fue más fácil de ionizar (por la iluminación) y fue el menos resistente.

En el caso de grietas o árboles, la razón de la forma es la “falta de uniformidad en la composición del suelo y la disponibilidad de nodos en los lugares fáciles del tallo”.

Tampoco creo que esta formación de forma tenga lugar bajo una ley científica … Más bien es solo el resultado de una composición desigual … (porque cada vez que la forma es diferente)

Porque la naturaleza sigue las leyes de la naturaleza. Esos patrones se producen cuando se aplica la secuencia de Fibonacci. Ver: número de Fibonacci

Es común ver el patrón de Fibonacci en la naturaleza. Ver: Fibonacci en la naturaleza

Algunas personas dirán que esto es una ocurrencia aleatoria o por presión selectiva de la selección natural. Creo que es el Creador de la naturaleza que incrusta Su creación con fórmulas matemáticas para confundir al científico evolucionista. Por definición, la evolución se desarrolla en ausencia de un Diseñador inteligente. El hecho de que la naturaleza esté completamente incrustada con fórmulas matemáticas y planos detallados apunta a un diseñador maestro.

El fenómeno se llama fenómenos en cascada.

En esto, un proceso grande se descompone en un proceso similar más pequeño. Un proceso grande generalmente contiene una gran cantidad de energía potencial. La naturaleza prefiere bajar esa cantidad.

Sin embargo, estos procesos tienen ciertas propiedades, y esas propiedades aseguran ciertas reglas de conservación. Si hace que el proceso no tenga estas propiedades, estará rompiendo las reglas de conservación. Por lo tanto, los procesos más pequeños tienen que ser, necesariamente, como los más grandes. Y eso, es lo que ves aquí. Es la cascada de propagación ramificada.

considere un tazón de leche y sumerja un poco de ramita curiosa para ver cómo se forma …

siempre que se aplica presión, la presión encuentra este patrón

puede visitar wikipedia para obtener más información sobre la presión para esta pregunta, esto es suficiente

tenemos una presión de 1 atm y la hemos adoptado, al igual que los árboles para que crezca y encuentre puntos débiles de la atmósfera

Hermosa pregunta y también son hermosas las explicaciones científicas que la gente escribió. La respuesta intuitiva es que la realidad es fractal, por lo que cada parte más pequeña contiene la imagen completa.

O como dijo Hermes Trismegisto: “Como es arriba, es abajo”.

Tiene que ver con la forma en que fluye la información en el mundo natural. Es la formación más simple y lógica cuando una fuente necesita fluir a un objetivo mientras simultáneamente suministra o afecta el espacio bidimensional del punto A al punto B. Esto se debe a que dicha información siempre toma el camino de menor resistencia. Por lo tanto, los vasos sanguíneos, las venas de una hoja, las ramas de los árboles, etc., todos comparten estas formas similares.

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Ellos no!

¡No tenemos palabras para las diferentes formas, por lo que las consideramos iguales!

Para los no iniciados, toda la nieve se ve igual, pero algunos dicen que cada hojuela es diferente, todas las cervezas tienen el mismo sabor, etc. pero una vez que necesitas saber las diferencias, hay muchas.

Tenemos, por ejemplo, palabras para los primeros polígonos regulares, pero después de decir 20 lados se ven iguales. Para la mayoría de las personas, los números son excepcionales y para Hardy, 1729 parece aburrido. Sin embargo, para Ramanujan había algo especial al respecto;)

La ley de construcción es una teoría de la generación de diseño (configuraciones, patrones, geometría) en la naturaleza. Según esta teoría, el diseño natural y la ley de construcción unen todos los sistemas animados e inanimados.

La ley de construcción fue propuesta en 1996 como un resumen de todos los fenómenos de generación y evolución del diseño en la naturaleza, bio y no bio. La ley de la construcción representa tres pasos para hacer del “diseño en la naturaleza” un concepto y dominio de la ciencia basado en la ley:

La vida es flujo: todos los sistemas de flujo son sistemas vivos, lo animado y lo inanimado.

La generación y evolución del diseño es un fenómeno de la física.

Los diseños tienen la tendencia universal de evolucionar en una determinada dirección en el tiempo.

La ley de construcción se propone como un primer principio de física que representa todo el diseño y la evolución en la naturaleza. Sostiene que la forma y la estructura surgen para facilitar el flujo. Los diseños que suceden espontáneamente en la naturaleza reflejan esta tendencia: permiten que las entidades fluyan más fácilmente, para mover de manera medible más corriente más lejos y más rápido por unidad de energía útil consumida. Las gotas de lluvia, por ejemplo, se unen y se mueven juntas, generando riachuelos, arroyos y las poderosas cuencas fluviales del mundo porque este diseño les permite moverse con mayor facilidad.

La ley de construcción cubre la tendencia de la naturaleza a generar diseños para facilitar el flujo.

Ps1: Este texto fue extraído de Wikipedia: Ley de construcción

Ps2: Vea también la geometría fractal y la agregación limitada de difusión para comprenderlo desde la perspectiva matemática.