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Falar sobre a homogeneidade translacional, B = A + λAB, e a homogeneidade em escala, L =<br />
λ D Lu.
Capítulo VI<br />
A TEORIA DINÂMICA DO CRESCIMENTO FRACTAL<br />
DE UMA ESTRUTURA<br />
SUMÁRIO<br />
RESUMO ...................................................................................................................................4<br />
6. 1 - Introdução .........................................................................................................................5<br />
6. 2 - O Modelo fractal de estruturas..........................................................................................5<br />
6. 3 - Crescimento e Fragmentação Fractal ................................................................................8<br />
6. 4 - Padrões de crescimento na natureza: da ordem ao caos....................................................9<br />
6. 4.1 - Estruturas geométricas de crescimento fractal presentes na natureza............11<br />
6. 4.2 - A origem fenomenológica dos fractais na natureza .......................................11<br />
6. 4.3 - A teoria do crescimento fractal ......................................................................14<br />
6. 5 – Proposição de um novo Método de Escalonamento Dinâmico de Fractais Laplacianos<br />
Ramificados baseado no método de Contagem “Sand-Box”. ..................................................17<br />
6. 6 – Escalonamento Dinâmico Longitudinal e Radial: Uma aplicação a dinâmica de<br />
propagação de trincas ...............................................................................................................24<br />
6. 7 - A Dissipação da Energia em um Fractal .........................................................................24<br />
6. 7.1 - A Função Dissipação......................................................................................25<br />
6. 7.2 - A Produção de Entropia .................................................................................25<br />
6. 7.3 - O Fluxo de Entropia .......................................................................................25<br />
6. 7.4 - A Potência Dissipada .....................................................................................25<br />
2
6. 8 - Um novo princípio físico de dissipação de energia por detrás das estruturas fractais<br />
encontradas na natureza............................................................................................................25<br />
6. 9 - O Modelamento multifractal de crescimento..................................................................29<br />
6. 10 – Discussões ....................................................................................................................30<br />
6. 11 - Conclusões ....................................................................................................................31<br />
6. 12 - Referências bibliográficas.............................................................................................31<br />
3
Capítulo VI<br />
A TEORIA DINÂMICA DO CRESCIMENTO FRACTAL<br />
DE UMA ESTRUTURA<br />
Quem abriu canais para o aguaceiro, e um caminho para o relâmpago do trovão (Jó 38,25);<br />
RESUMO<br />
O número de elementos de estruturas N de fractais laplacianos, como as trincas,<br />
que crescem com o tempo, foi escalonado dinamicamente usando-se o método Sand-Box.<br />
Este método, permite calcular a dimensão fractal de uma estrutura qualquer, imersa numa<br />
dimensão euclidiana superior (d =1,2,3). O cálculo é feito, contando-se o número de<br />
estruturas N(R) auto-similares contidas em “caixas” de raio R variável, centradas na origem<br />
“O” de um sistema de coordenadas. A partir deste método, foi possível elaborar um método<br />
geral de escalonamento, que permite inferir o resultado dinâmico N(R,t) a partir do estático<br />
N(R), desde que se conheça a expressão da velocidade de propagação, V(R,t), de fractais<br />
laplacianos como as trincas, que possuem um raio de giração R(V,t) e crescem com o tempo,<br />
com uma velocidade V em torno de uma origem central fixada “O”. O método de cálculo<br />
proposto neste trabalho foi utilizada em trincas ramificadas,onde foi posível descrever a<br />
formação destas estruturas em termos da Função Dissipação da Termodinâmica dos Processos<br />
Ireversíveis.<br />
4
6. 1- Introdução<br />
Os conceitos básicos da teoria fractal desenvolvidos por MANDELBROT [1982] e<br />
outros cientistas, tem sido utilizados na descrição de estruturas irregulares, como superfícies<br />
de fratura e trincas [HERRMANN 1989], com o intuito de se relacionar a descrição<br />
geométrica destes objetos com as propriedades dos materiais [DE ARCANGELIS 1989].<br />
A teoria fractal do ponto de vista da física diz respeito ao estudo de estruturas<br />
irregulares que apresentam a propriedade de auto-similaridade ou auto-afinidade (propriedade<br />
em que as partes são similares ao todo, em escalas sucessivas de ampliação ou redução,<br />
Mandelbrot [1972]). A natureza intrigante destas propriedades existentes em estruturas, que se<br />
estendem desde o microcosmo [Fractal em Marte] até o macrososmo, é motivo de muitas<br />
investigações na física [HERRMANN 1986, TSALLIS 1997 e outros]. Sendo assim, a teoria<br />
fractal possui diversos contextos, tanto na física como na matemática, tais como: na teoria do<br />
caos [McCAULEY 1993], no estudo das transições de fase e fenômenos críticos [Livros de<br />
Mec. Estatística de Eugene Stanley; BECK 1993], no estudo de aglomeração de partículas<br />
[MEAKIN 1995], etc. O contexto que está mais diretamente relacionado à Mecânica da<br />
Fratura, por causa da natureza física do processo, é a que diz respeito ao crescimento fractal<br />
[VICSÉK 1991; SANDER 1984; MEAKIN 1993 e PIETRONERO 1988]. Nesta sub-área são<br />
estudados os mecanismos de crescimento de estruturas que surgem em processos de<br />
instabilidade e dissipação de energia, tais como as trincas [HERRMANN & ROUX 1990;<br />
CHARMET 1990] e padrões ramificados [MEAKIN 1989]. Neste sentido e que procuraremos<br />
abordar o problema da propagação das trincas.<br />
A teoria fractal torna-se cada vez mais presente na descrição de fenômenos que<br />
possuem uma desordem mensurável, chamado de caos determinístico [McCAULEY 1993;<br />
HERRMANN & ROUX 1990; CHARMET 1990]. O fenômeno da fratura e propagação de<br />
trincas, embora sendo estatístico, mostra que algumas regras ou leis são obedecidas, e a cada dia<br />
tornam-se mais claras através do entendimento das propriedades dos fractais [HERRMANN &<br />
ROUX 1990; CHARMET 1990].<br />
6. 2 - O Modelo fractal de estruturas<br />
Em primeiro lugar, devemos começar com a definição de função homogênea dada<br />
por Euler, que constitue a base de todo o escalonamento fractal. De acordo com o teorema de<br />
5
Euler para funções homogêneas de grau n qualquer, uma transformação de escala, εk (εmin ≤ εk ≤ ε<br />
max), numa função F(c) deste tipo resulta em:<br />
F(εkc) = εk -n F(c) (0 ≤ εk ≤ 1),<br />
6<br />
(6. 1)<br />
Este resultado significa, que o valor de uma função numa escala, F(c), está<br />
relacionado com o valor desta mesma função numa outra escala, F(εkc) por uma relação entre as<br />
escalas εk, elevada a uma potência n que corresponde ao grau de homogeneidade da função. Um<br />
fractal é um objeto que segue a um tipo de escalonamento fracionário (Figura - 6. 1), ou seja, o<br />
grau de homegeneidade n da função descrita em (6. 1) não é inteiro, e apresenta a propriedade da<br />
autosimilaridade.<br />
Figura - 6. 1. Fractais ramificados, mostrando um elemento de estrutura a) Fractal Matemático<br />
auto-similar b) Fractal Físico estatisticamente auto-similar.<br />
As propriedades básicas dos fractais são: a sua dimensão não-inteira e a auto-<br />
similaridade, isto é, o fato de suas partes se assemelharem ao todo em diferentes escalas. Esta<br />
última propriedade, se torna mais evidente quando se faz uma transformação de escala<br />
homogênea de uma parte qualquer de sua estrutura, em escalas sucessivas.<br />
Existem dois tipos básicos de fractais: os fractais matemáticos, cujas relações de auto-<br />
similaridade são exatas e não tem limites de escala superior ou inferior pois são gerados por regras
de interações infinitas (Figura - 6. 1b) e fractais físicos, cujas relações de auto-similaridade são<br />
obedecidas na média estatística feita ao longo de todo o fractal, desde uma escala inferior εmin até<br />
uma outra escala superior εmax (auto-similaridade), conforme mostra a Figura - 6. 1. Supondo-se<br />
que os fractais encontrados na natureza, ao se formarem, seguem regras ou leis do tipo citada<br />
acima, vemos que os intrigantes fatos concernentes a sua estrutura, apesar de serem curiosos do<br />
ponto de vista matemático, parecem esconder algum tipo de princípio de dissipação de energia<br />
[ALVES 1998b, HERRMANN 1986]. Nestes fractais físicos ou naturais o escalonamento da<br />
extensão da estrutura é feito por meio de uma função homogênea da seguinte forma:<br />
F(δ) ~ δ d -D , (6. 2)<br />
onde d é a dimensão euclideana de projeção do fractal e D é a dimensão fractal da estrutura<br />
auto-similar.<br />
Por outro lado, existem fractais com diferentes dimensões ao longo de suas<br />
direções ortogonais, que são chamados de fractais auto-afins. Fractais auto-afins são aqueles<br />
que aparecem imersos numa dimensão euclidiana superior ( I = d + 1) e possuem projeção<br />
sobre uma dimensão euclidiana inferior (d), de tal forma que no limite de escalas muito<br />
grandes a dimensão deste é a dimensão euclidiana E. Por exemplo, uma trinca vista de uma<br />
escala muito distante pode ser considerada como uma reta, cuja dimensão é d = 1 e<br />
superfícies de fratura, neste limite, são planos de dimensão d = 2. Neste fractais o<br />
escalonamento da extensão da estrutura é feito por meio de uma função homogênea da seguinte<br />
forma:<br />
F(δ) ~ δ I - Dx , (6. 3)<br />
onde I é a dimensão euclideana de imersão do fractal e Dx é a dimensão fractal da estrutura<br />
auto-afim ao longo da direção x. O expoente da função acima é dado por H = I - Dx onde H é o<br />
expoente Hurst da rugosidade da estrutura. Um exemplo de um fractal auto-afim está mostrado<br />
mais oportunamente na Figura – 3.5, quando será modelado o perfil de uma trinca.<br />
Definindo-se o “elemento padrão da estrutura” ou “semente” de um fractal, como<br />
sendo o elemento básico de formação do mesmo, que é auto-similar ou auto-afim a outro, em<br />
escalas sucessivas, o número de estruturas formadas numa determinada escala pode ser descrito<br />
de acordo com SANDER [1984] como sendo:<br />
onde:<br />
Nr(ε) = ε -Dr , (6. 4)<br />
7
ε: é o fator de transformação de escala usado<br />
Nr: é o número de elementos de estrutura na escala ε na direção r.<br />
Dr: é a dimensão fractal da estrutura na direção r. Para fractais auto-similares Dr = D e para<br />
fractais auto-afins Dr = Dx.<br />
A grandeza ε é o fator de transformação de escala dado pela razão entre os tamanhos<br />
r e R do elemento de estrutra em duas escalas diferentes ou sucessivas:<br />
ε = r/R, (6. 5)<br />
Para um mono-fractal o fator de escala ε é uma constante entre dois niveis<br />
consecutivos de escalonamento. Contudo uma generalização pode ser feita a partir da relação (6.<br />
4) para o caso onde a dimensão fractal depende da escala como é o caso de multifractais.<br />
Normalmente os fractais encontrados na natureza são multifractais, que correspondem àqueles<br />
que possuem uma dimensão que varia continuamente. Para estes fractais, as relações, (6. 1), (6. 2)<br />
e (6. 3) são aproximações matemáticas que podem ser usadas para descreve-los em termos de<br />
uma medida média.<br />
Conforme será descrito neste trabalho, considerando-se as trincas como sendo um<br />
fractal físico homogêneo estatisticamente auto-afim e as rupturas ramificadas, como sendo<br />
estatisticamente auto-similar, pode-se, partindo-se das expressões (6. 2) e (6. 3), com algumas<br />
modificações matemáticas, interpretar os fenômenos de propagação das trincas, tão importante em<br />
materiais, chegar a resultados utéis na descrição deste fenômeno. Será possível entender, de forma<br />
clara, desde o processo de fratura até o de fragmentação, sob uma visão da variação contínua dos<br />
graus de energia fornecido ao material, modificando apenas o número de trincas formadas,<br />
ramificadas e sobrepostas, conforme será mostrado mais adiante.<br />
6. 3 - Crescimento e Fragmentação Fractal<br />
8
6. 4 - Padrões de crescimento na natureza: da ordem ao caos.<br />
A descrição de objetos e figuras regulares está baseada em conceitos<br />
geométricos tais como: simetrias, invariâncias etc, tendo como suporte a geometria<br />
euclidiana. O conceito de simetria é intuitivamente introduzido nos postulados de Euclides, na<br />
descrição destas figuras. Além do que, a idéia grega de perfeição e ordem, baseado nas<br />
simetrias das formas regulares, está intuitivamente embutida no seu pensamento. Porém, isto<br />
parece não ser o comportamento geral das formas encontradas na natureza. Embora se<br />
preserve a idéia de simetria, a maioria das construções geométricas realizadas pela natureza,<br />
são irregulares e as formas regulares fazem parte da exceção e não da regra.<br />
A natureza possui uma forma própria de construir objetos geométricos. Pois,<br />
assim como o homem é capaz de construir artificialmente, objetos, através de desenhos,<br />
moldagens, esculturas, etc, com padrões geométricos regulares e definidos, a natureza<br />
também possui seus próprios mecanismos de construção de objetos e padrões, os quais é<br />
encontrado nas formações rochosas, nas árvores, nos relâmpagos, etc. Ela o faz, através do<br />
desencadeamento de fenômenos e processos físicos, químicos, biológicos, etc, que seguem<br />
leis bem definidas, cuja manipulação humana, pode ou não estar presente.<br />
Neste trabalho, procura-se descrever a forma pela qual a natureza constrói seus<br />
padrões usando a fenomenologia da descrição fractal, para explicar a construção de objetos<br />
9
tais como trincas e outras estruturas ramificadas. Para o caso de padrões e formas construídas<br />
pelo desencadeamento de processos naturais, seguramente o fenômeno físico ou químico que<br />
gerou tal objeto, como uma superfície de fratura por exemplo, está estreitamente relacionado<br />
as propriedades físicas do meio e estas por sua vez, tem implicações nas suas propriedades<br />
geométricas dos padrões e formas. Pensando nisso, pode-se tirar proveito da descrição<br />
geométrica e extrair informações do fenômeno que gerou tais padrões, além de um<br />
entendimento maior das suas propriedades físicas do meio.<br />
Ao longo dos anos, o homem tem aprendido a descrever as formas regulares<br />
através de teoremas matemáticos, os quais são úteis na descrição das propriedades físicas dos<br />
objetos encontrados na natureza, como os cristais por exemplo. Porém, sabe-se que a<br />
natureza, não mantém válida a regra de construção de figuras regulares em todos os níveis de<br />
escala, e para isso, tem surgido uma nova forma de descrever padrões irregulares com o<br />
intuito de deduzir as suas propriedades físicas do meio e entender os processos que geram tais<br />
objetos, a partir de suas propriedades geométricas.<br />
Durante os séculos XVIII e XIX os cientistas procuraram entender vários<br />
fenômenos tomando como base a visão euclidiana da natureza através das leis de Newton da<br />
mecânica na qual ela está baseada,. Eles conseguiram estabelecer por meio da própria<br />
mecânica, da termodinâmica e da mecânica estatística as condições válidas para que os<br />
sistemas atinjam a ordem e o equilíbrio. Até então, fenômenos que apresentavam uma certa<br />
desordem, ou eram aproximados por sistemas próximo ao equilíbrio (processos reversíveis),<br />
ou eram tratados do ponto de vista puramente estatístico. Pode-se dizer que estes dois séculos,<br />
foram os séculos dos sistemas ordenados. Porém no fim deste século XX, vários cientistas<br />
tem se preocupado com a descrição matemática dos sistemas desordenados, como por<br />
exemplo, padrões de crescimento ramificados que acontecem longe do equilíbrio<br />
termodinâmico além de outros. Situações de ordem como o arranjo cristalográfico dos átomos<br />
foram bem explicados, porém situações de total desordem como o estado vítreo parecem<br />
ainda esconder muitas informações das quais não podem ser tratadas pela leis clássicas da<br />
física do ponto de vista da geometria euclidiana. A base fenomenológica para esta descrição<br />
dos processos de crescimento dos padrões geométricos irregulares normalmente encontrados<br />
na natureza, é o estudo da dinâmica não-linear e a teoria do caos.<br />
10
6. 4.1 - Estruturas geométricas de crescimento fractal presentes na natureza<br />
A geometria fractal aparece presente em todo o universo desde o micro até a<br />
macrocosmo como mostra a Figura - 6. 2 de um fractal encontrado em marte.<br />
Figura - 6. 2. Fractal ramificado encontrado em marte.<br />
6. 4.2 - A origem fenomenológica dos fractais na natureza<br />
Antes de tudo, é preciso distinguir a forma dos objetos em sí, do processo físico<br />
em questão na formação de um determinado padrão. Por exemplo, do ponto de vista<br />
geométrico, figuras regulares são obtidas quando uma série de simetrias e relações de<br />
congruências são mantidas na construção da figura. Do ponto de vista físico, a regularidade<br />
ou a ordem está associado a vínculos externos que são impostos ao sistema, associados a<br />
situações de trabalho termodinâmico onde a energia é minimizada. Estas simetrias e relações<br />
de congruências podem estar matematicamente embutidas na descrição destes vínculos<br />
externos, de forma que o único caminho resultante para o sistema naquelas condições seja a<br />
regularidade e a ordem, descritos pela leis da física.<br />
Por outro lado, figuras e padrões irregulares podem ser obtidos quando uma série<br />
de simetrias e relações de congruências são quebradas, na construção de uma figura. E, do<br />
ponto de vista físico, situações irregulares aparecem quando não se impõe necessariamente<br />
vínculos externos aos fenômenos físicos em questão e/ou quando as situações consideradas<br />
são regidas por processos irreversíveis.<br />
11
Os fractais na natureza se originam em condições de instabilidades em um<br />
processo de crescimento (captação ou dissipação extrema de energia), dando origem a<br />
estruturas ramificadas, como um mecanismo dinâmico de minimização do transporte e<br />
maximização da energia captada ou dissipada afim de dimensionar o processo dentro de um<br />
volume limitado. Como exemplo de fenômenos deste tipo tem-se os relâmpagos, a<br />
propagação de trincas em materiais, o crescimento das plantas e a geometria dos pulmões, etc.<br />
Para o caso tridimensional, onde um objeto fractal de volume limitado está<br />
imerso, este procura maximizar a sua área superficial; e no caso bidimensional onde um<br />
fractal de área limitada está imerso, este procura maximizar o seu perímetro, portanto<br />
3D:V: limitado ↔ A → ∞<br />
2D:A: limitado ↔ P → ∞<br />
Nos processos físicos de crescimento a dimensão fractal está diretamente<br />
relacionada aos expoentes críticos das funções que determinam o estado termodinâmico do<br />
objeto fractal, tais como: energia, temperatura, volume, calor específico.<br />
Numa solidificação [ALVES 1995] por exemplo, as condições de equilíbrio,<br />
nunca dão origem ao crescimento de uma nova fase, pois uma fase só passa a crescer em<br />
condições ligeiramente fora do equilíbrio. Considerando a conservação da massa, uma fase só<br />
cresce em detrimento da outra, e nestes casos, estados ligeiramente fora do equilíbrio podem<br />
ser aproximados por relações lineares de causa e efeito, cujo potencial é do tipo quadrático<br />
(parabólico), o que implica num equilíbrio estável e conseqüentemente num processo<br />
reversível, pois neste limite as forças são do tipo conservativas. Situações extremas, como no<br />
caso em que o empacotamentos dos átomos acontece longe do equilíbrio termodinâmico, a<br />
variação da entropia se dá, de forma que as instabilidades interfaciais, se repetem em escalas<br />
cada vez menores, como por exemplo no crescimento dendrítico, onde as leis que regem este<br />
fenômeno se mantém invariantes em escalas, e podem ser descritas pela propriedade de auto-<br />
similaridade da geometria fractal, cuja condições de homogeneidade são escalonáveis por<br />
uma lei de potência do tipo:<br />
F(ε) = ε -D (6. 6)<br />
onde F(ε) é alguma propriedade geométrica do sistema que dependa da escala e ε é um fator<br />
de transformação de escala.<br />
12
Considerando-se a transição da ordem ao caos absoluto, nos fenômenos físicos,<br />
existem certos estágios desta transição que se dão de forma escalonáveis, ou seja,<br />
determinadas características são preservadas independentemente da escala de observação.<br />
Portanto, a implicação direta da teoria dinâmica não-linear envolvendo padrões de<br />
crescimento, sobre a interpretação dos fenômenos físicos, diz respeito a idéia de que, a<br />
natureza através de regras de escalonamento, possui leis físicas que são invariantes por<br />
transformação de escala, ou seja, existem leis que são universais desde o macro até o<br />
microcosmo, como por exemplo, as leis que descrevem a aglomeração de partículas.<br />
Do ponto de vista fenomenológico, o calor liberado ou o desprendimento da<br />
energia para a formação de uma fase sólida, num processo de solidificação, se iniciará na<br />
maior escala quando a condição de estabilidade de uma interface plana (condição de<br />
equilíbrio) é ameaçada pela retirada rápida do calor através de um choque térmico (ou por um<br />
resfriamento rápido) e se extinguirá na menor escala, quando todo o fluxo de calor se esgotar,<br />
não ameaçando mais as condições de solidificação da menor ramificação da dendrita. Desta<br />
forma, observa-se que os padrões ramificados, podem ser explicados pela necessidade que o<br />
corpo tem de aliviar as tensões (térmicas ou mecânicas) a ele imposta, ou liberar a energia<br />
armazenada, em situações de instabilidade da forma mais eficiente possível. Desta forma, a<br />
caracterização de estruturas irregulares, fornece a vantagem se fazer previsões com<br />
fenômenos que aparentemente não apresentam nenhuma ordem mensurável, o que hoje em<br />
dia é chamado de caos determinístico. Pois como se sabe, entre a perfeita ordem e o caos<br />
absoluto, existem estados de desordem, que ainda poder ser descritos por teorias analíticas,<br />
como a sugerida pela teoria dinâmica que envolve o caos e a geometria fractal. Esta<br />
importante área da física surgida nas últimas décadas, tem encontrado larga aplicação em<br />
fenômenos estatísticos como as propagação de trincas e a geração de superfícies de fratura,<br />
além de outros.<br />
Conclui-se portanto, que a descrição de objetos regulares encontrados na natureza,<br />
seguem idéias intuitivas de ordem e simetrias que nem sempre permanecem na descrição dos<br />
padrões irregulares. A mecânica newtoniana por exemplo, foi construída basicamente sobre os<br />
princípios de ordem e simetria, análogos a aqueles encontrados na geometria euclidiana.<br />
Assim, é preciso revisar os conceitos clássicos com base na nova visão da geometria fractal<br />
para se abranger novos fenômenos que até então eram delegados a uma descrição puramente<br />
estatística, como é o caso da geometria descrita por uma fratura.<br />
13
6. 4.3 - A teoria do crescimento fractal<br />
O intrigante aspecto geométrico que um fractal apresenta, é motivo de muitas<br />
especulações científicas. Dentro do contexto deste trabalho, é útil explicar a dinâmica de<br />
crescimento de um fractal utilizando o equacionamento da instabilidade de uma estrutura<br />
básica, como uma falha por exemplo geradora da auto-afinidade (irregularidades<br />
morfológicas).<br />
processo estável processo instável<br />
Figura - 6. 3. Crescimento de uma superfície qualquer que posui um tempo de relaxação é τ,<br />
mostrando os casos de a) processos estável para ∆t >> τ e b) instável para ∆t
igualmente prováveis [WILLIAMS 1987, 1991]. Neste trabalho será mostrado<br />
matematicamente que estas duas condições são equivalentes e originárias de uma única<br />
condição de retardo no processo de resposta do sistema e de uma busca pela maximização da<br />
entropia, através de um princípio de máxima dissipação de energia (PMDE) por escala.<br />
Figura - 6. 4. Crescimento dendrítico instável.<br />
Figura - 6. 5. Crescimento dendrítico instável no estágio k =2.<br />
Por questões de simplicidade matemática, será considerado um meio físico cuja<br />
interface possui uma estrutura básica (Figura - 6. 3) análoga ao iniciador fractal do exemplo<br />
mostrado na secção anterior (). Supondo que a interface mostrada na Figura - 6. 4, sofre uma<br />
pequena flutuação, ∆Uk, na energia contida entre o sistema sob consideração e o meio<br />
externo. Ao sofrer esta perturbação energética, ocorre o aparecimento de uma pequena<br />
protuberância no contorno da interface do sistema, como resultado da diminuição da sua<br />
energia livre resultante entre a interface e o volume. A diferença energética entre o meio e o<br />
sistema faz com que este sistema libere uma nova quantidade de energia sob a forma de fluxo,<br />
∆Uk+1 = φk+1∆t. Considerando que o sistema estava inicialmente em equilíbrio instável,<br />
novamente ao sofrer esta perturbação, pequenas protuberâncias tornam a surgir ao longo de<br />
15
todo o contorno da interface. Isto acontecerá à medida que condições idênticas a anterior são<br />
reproduzidas, isto é, a de interface plana [SANDER 1984; CHALMERS 1964], conforme<br />
mostra a Figura - 6. 5.<br />
Quando o sistema passa novamente pela condição inicial de equilíbrio instável,<br />
novas protuberâncias vão surgindo e mais energia flui para fora do sistema, e assim<br />
sucessivamente. Até que toda a energia inicialmente contida no sistema se esgote.<br />
Construindo um diagrama deste processo de cascata, a variação da energia livre em função do<br />
comprimento da interface pode ser representada de acordo com a Figura - 6. 6.<br />
Figura - 6. 6. Variação da energia livre em função do comprimento rugoso do perfil da superfície<br />
O comprimento da interface é dada por:<br />
Lk = Lo+ Σ ∆Lk<br />
16<br />
(6. 7)<br />
como este comprimento está relacionado com a energia gasta para formar as superfície tem-<br />
se:<br />
Uk = Uo+ Σ ∆Uk<br />
(6. 8)<br />
Nas secções 6. 4.2 - A origem fenomenológica dos fractais na natureza e 6. 4.3 -<br />
A teoria do crescimento fractal, acima viu-se como o crescimento de uma superfície, no caso
fractal, acontece na natureza como resultado de uma instabilidade estrutural. Nesta primeira<br />
parte será mostrado a relação existente entre a instabilidade e irregularidade do padrão de<br />
dissipação (superfície de fratura). Na segunda parte será equacionado o problema para o caso<br />
de uma fratura, no qual será mostrado os resultados matemáticos válidos para descrição do<br />
fenômeno.<br />
6. 5 – Proposição de um novo Método de Escalonamento Dinâmico<br />
de Fractais Laplacianos Ramificados baseado no método de<br />
Contagem “Sand-Box”.<br />
Na natureza ocorre diversos fenômenos cujo resultado é a formação de padrões<br />
ramificados, em processos que acontecem longe do equilíbrio termodinâmico [Livros de<br />
Termodinâmica Fractal]. Estes padrões podem ser: trincas, rupturas dielétricas ou relâmpagos,<br />
crescimento dendrítico em processos de solidificação, formação de agregados em procesos de<br />
gelificação, etc. Atualmente existe grande interesse científico em descrever o surgimento<br />
destas estruturas. A descrição matemática destes padrões pode ser feita em termos da<br />
geometria fractal. Esta classe específica de padrões ramificados é chamada de fractais<br />
laplacianos, devido a natureza da sua formação. Alguns destes padrões são formados em<br />
processos de crescimento baseados na agregação limitado por difusão (DLA). De um forma<br />
geral, como existe uma estreita relação, entre a fenomenologia e a estrutura formada,<br />
decorrente da sua geometria fractal, o entendimento dos processos de formação destas<br />
estruturas devem ser provenientes da sua análise matemática. Portanto, a sua descrição<br />
matemática deve transcender a simples caracterização geométrica, com a finalidade de<br />
relacionar o padrão formado com o processo de dissipação de energia que o gerou. Desta<br />
forma, é possível, utilizar a geometria fractal com a finalidade de se entender processos cada<br />
vez mais complexos.<br />
Neste trabalho, estamos interessados em relacionar a geometria fractal com o<br />
processo dinâmico de crescimento, pois é nesta situação que os padrões se formam e as<br />
ramificações surgem. O escalonamento dinâmico [FAMILY 1991; BARABÁSI 1995]<br />
corresponde a descrição temporal do crescimento das estruturas ou padrões fractais. Uma vez<br />
que a dimensão fractal calculada pelos métodos conhecidos levam em conta o fractal estático<br />
já formado, o escalonamento dinâmico porém, procura relacionar a descrição fractal durante<br />
seu tempo de formação. Para isso as escalas de medição são dinâmicas e a dimensão fractal<br />
17
pode ou não depender do tempo transcorrido na formação da estrutura. Para isso nós usamos o<br />
método Sand-Box [BUNDE 1994; VICSÉK 1991] como base para representar o<br />
escalonamento dinâmico de estruturas fractais ramificadas como a mostrada na Figura - 6. 1 e<br />
Figura - 6. 7.<br />
O método Sand-Box, permite calcular a dimensão de uma estrutura fractal imersa<br />
em qualquer dimensão euclidiana (d = 1,2,3,..etc). O cálculo é feito, contando-se o número de<br />
estruturas N(R) autosimilares contidas em “caixas” de raio R variável, centradas na origem<br />
“O” de um sistema de coordenadas. A partir deste método, foi possível elaborar uma técnica<br />
de escalonamento dinâmico de fractais laplacianos, que possuem um raio de giração R(V,t)<br />
que cresce com o tempo, com uma velocidade V em torno de uma origem central fixada “O”.<br />
Fractais laplacianos foram observados em impactos ramificados, onde a técnica proposta<br />
neste trabalho foi utilizada. Com este escalonamento dinâmico, foi possível descrever a<br />
formação de estruturas fractais em termos da Função Dissipação da Termodinâmica dos<br />
Processos Ireversíveis. Este cálculo pode ser usado na descrição matematica de quaisquer<br />
processos de crescimento de estruturas fractais, como a fragmentação, por exemplo. Pode-se<br />
através do escalonamento dinâmico estimar o numero de partículas que participam do<br />
processo, a taxa de crescimento da estrutura em função do raio de alcalce e do tempo, e a<br />
energia gasta na formação da estrutura.<br />
Considerando o processo de crescimento, para um fractal laplaciano ramificado<br />
[Artigos sobre o assunto], que cresce a partir de uma semente de tamanho l centrada numa<br />
origem O fixa, podemos tratar o escalonamento dinâmico supondo que a medida que o fractal<br />
cresce em torno de O, a sua fronteira de raio R aumenta com o tempo, com velocidade V dada<br />
pela variação de R neste tempo, logo<br />
V = dR/dt, (6. 9)<br />
Se nós considerarmos que o escalonamento dinâmico acontece continuamente<br />
dentro da fronteira de raio R acompanhando a evolução temporal do fractal, poderemos usar<br />
esta grandeza R como sendo representativa para o fator de transformação de escala ε, o qual é<br />
dada pela razão entre os tamanhos r e R dos “elementos da estrutura” em duas escalas de<br />
tempo diferentes, de forma análoga ao escalonamento estático dado pela relação (3.3) (Figura<br />
- 6. 7).<br />
18
Figura - 6. 7. Escalonamento dinâmico proposto baseado no método Sand-Box.<br />
O escalonamento dinâmico de um fractal físico só terá validade dentro do<br />
intervalo de escalonamento εmin ≤ ε ≤ εmax. Logo, o número de estruturas autosimilares, dentro<br />
de um raio R, que foram acrescentadas para formar uma outra estrutura autosimilar, durante<br />
um tempo dt, onde R variou de R para R + dR, é dado por: dN = (dN/dR)dR.<br />
Como o método Sand-Box de contagem de estruturas, diferentemente dos outros<br />
métodos, necessita de uma origem fixa, a partir da qual as caixas de tamanho R variável são<br />
escalonadas (não importa a geometria das mesmas pois as caixas podem ser esféricas). Nós<br />
podemos, portanto, fixar este centro da caixa na origem central do fractal, ou em qualquer<br />
outra origem autosimilar a esta e fazer escalonamento das caixas de acordo com a fronteira do<br />
fractal em crescimento, conforme mostra a Figura - 6. 7. Desta forma, nós estaremos<br />
acompanhando o escalonamento do fractal de forma dinâmica, onde a taxa de crescimento<br />
dN/dt da estrutura, dentro de um determinado nível k(t) de crescimento, pode ser expressa<br />
como:<br />
dN(t)/dt = -D(N/ε)dε/dt, (6. 10)<br />
a derivada da grandeza ε(t) em relação ao tempo, tem sua interpretação em termos da taxa de<br />
formação dos elementos de estrutura nas escalas correspondentes, desde a escala superior εmax<br />
até a escala inferior εmin. Observe que, como ε é inversamente proporcional a taxa de<br />
formação do fractal dN/dt, a medida que este último aumenta, a escala ε tende a ser cada vez<br />
menor, até que o menor elemento de estrutura possível seja formado na escala inferior εmin, e<br />
vice-versa. A propriedade de autosimilaridade, típica de estruturas fractais aparece, porque em<br />
cada nível de escalonamento a fenomenologia do processo se repete, por meio de um efeito de<br />
19
“memória” e retro-alimentação que se mantém, até que toda a energia disponível seja gasta e<br />
a estrutura seja totalmente formada .<br />
Desta forma, podemos substituir a expressão (3.4) em (3.6) e obter a descrição<br />
direta do processo de formação dos fractais em termos do tamanho dos elementos da<br />
estrutura. Logo a grandeza dε/dt pode ser interpretada como a taxa de crescimento do fractal<br />
numa determinada escala ε, que de acordo com (3.4) pode ser escrita como:<br />
Sander.<br />
sendo:<br />
(1/ε)dε/dt = (1/r)dr/dt - (1/R)dR/dt, (6. 11)<br />
Figura - 6. 8. Condição física de instabilidade para o crescimento de uma estrutura fractal segundo<br />
De acordo com Figura - 6. 8, SANDER [1984] define uma grandeza β como<br />
β = (1/r)dr/dt / (1/R)dR/dt -1, (6. 12)<br />
Onde ele classifica os regimes de crescimento das estruturas como sendo:<br />
> 0 crescimento fractal incipiente<br />
β = 0 crescimento com invariancia de escala<br />
< 0 crescimento não-fractal.<br />
A grandeza dr/dt pode ser entendida como sendo a velocidade de formação do<br />
elemento de estrutura que no caso pode ser um pequeno trecho microscópico do fractal, e a<br />
20
grandeza dR/dt pode ser entendida como sendo a velocidade macroscópica de crescimento do<br />
fractal. O parâmetro β está relacionado com índice multifractal q pela relação β = q -1.<br />
6. 6 -Escalonamento dinâmico<br />
O escalonamento dinâmico é feito, quanto o tempo de crescimento ou<br />
fragmentação do objeto fractal é levado em consideração. Neste caso, o parâmetro de controle<br />
das dimensões do objeto é o tempo. Com este tipo de escalonamento deseja-se descrever o<br />
processo de crescimento da estrutura fractal em função do tempo, a fim de relacioná-las com<br />
as grandezas físicas conhecidas tais como: energia, potência, número de partículas, numa<br />
possível termodinâmica de não-equilíbrio.<br />
O escalonamento dinâmico, corresponde a descrição temporal do crescimento das<br />
estruturas ou padrões fractais, ou seja, uma vez que a dimensão fractal calculada pelos<br />
métodos conhecidos levam em conta o fractal estático já formado, o escalonamento dinâmico,<br />
procura relacionar a descrição fractal durante o tempo de formação do mesmo. Para isso, as<br />
escalas de medição são dinâmicas e a dimensão fractal, pode ou não depender do tempo<br />
transcorrido na formação da estrutura fractal.<br />
Considerando-se o processo de crescimento, para um fractal laplaciano<br />
ramificado, que cresce a partir de uma semente de tamanho l centrada numa origem O fixa,<br />
poder-se-á tratar o escalonamento dinâmico da seguinte forma:<br />
Considerando-se que a medida que o fractal cresce em torno de O, a sua fronteira<br />
de raio R aumenta com o tempo, com uma velocidade V dada pela variação de R no tempo,<br />
logo<br />
V(R,t) = dR/dt (5. 1)<br />
Se for considerado que o escalonamento dinâmico acontece continuamente dentro<br />
da fronteira de raio R. poder-se-á usar a grandeza R como sendo representativa para o fator de<br />
transformação de escla ε, a qual é dada pela razão entre os tamanhos r e R do elemento de<br />
estrutra em duas escalas diferentes:<br />
ε = r/R (5. 2)<br />
O escalonamento dinâmico de um fractal físico, só terá validade dentro do<br />
intervalo de escalonamento citado anteriormente. Logo, o número de estruturas auto-similares<br />
21
dentro de um raio R que foram acrescentadas para formar uma outra estrutura auto-similar<br />
durante um tempo dt, onde R variou de R para R + dR, é dado por:<br />
dN = (dN/dR)dR (5. 3)<br />
Figura - 5. 1. Escalonamento dinâmico proposto baseado no método Sand-Box.<br />
Como o método de contagem de estruturas Sand-Box, diferentemente dos outros<br />
métodos, possui uma origem fixa, a partir do qual as caixas de dimensão R variavel são<br />
escalonadas (não importa a gometria das mesmas, pois as caixas podem ser esféricas). Poder-<br />
se-á portanto, fixar este centro da caixa na origem central do fractal, ou em qualquer outra<br />
origem auto-similar a esta e fazer escalonamento das caixas de acordo com a fronteira do<br />
fractal em crescimento, conforme mostra a Figura - 1.24. Desta forma, acompanhando-se o<br />
escalonamento do fractal de forma dinâmica, onde a taxa de crescimento dN/dt da estrutura<br />
dentro de um determinado nível k pode ser expressa a partir de (1.12) como sendo:<br />
ou ainda<br />
dN/dt = -D ε -D-1 dε/dt (5. 4)<br />
dN/dt = -D(N/ε)dε/dt (5. 5)<br />
a derivada da grandeza ε em relação ao tempo, tem sua interpretação em termos da taxa de<br />
formação dos elementos de estrutura nas escalas correspondentes, desde a escala superior εmax<br />
até a escala inferior εmin. Observe, que como ε é inversamente proporcional a taxa de<br />
formação do fracatal dN/dt, a medida que esta última aumenta, a escala ε tende a ser cada vez<br />
22
menor, até que o menor elemento de estrutura possível seja formado na escala inferior εmin<br />
(Alves 1998), dando origem a propriedade de auto-similaridade, típico de estruturas fractais.<br />
Porém, pode-se substituir a expressão (1.45) em (1.48) e obter a descrição direta<br />
do processo de formação dos fractais em termos do tamanho dos elemento de estrutura, onde:<br />
dε/dt = d(r/R)/dt (5. 6))<br />
dε/dt = (1/R)dr/dt - (r/R 2 )dR/dt (5. 7)<br />
logo a grandeza dε/dt pode ser interpretada como a velocidade de crescimento do fractal numa<br />
determinada escala ε, que de acordo com (1.45) pode ser escrita como:<br />
(1/ε)dε/dt = (1/r)dr/dt - (1/R)dR/dt (5. 8)<br />
Usando-se a definição de Sander da grandeza β como sendo:<br />
β = (1/r)dr/dt / (1/R)dR/dt - 1 (5. 9)<br />
Onde ele classifica os regimes de crescimento das estruturas como sendo:<br />
> 0 crescimento fractal incipiente<br />
β = 0 crescimento com invariancia de escala<br />
< 0 crescimento não-fractal.<br />
A grandeza dr/dt, pode ser entendida como sendo a velocidade de formação do<br />
elemento de estrutura, que no caso, pode ser um pequeno trecho microscópico do fractal, e a<br />
grandeza dR/dt, pode ser entendida como sendo a velocidade macroscópica de crescimento do<br />
fractal. Substituindo-se (1.51) em (1.48) tem-se:<br />
ou<br />
usando-se (1.44) tem-se:<br />
dN/dt = -DN[(1/r)dr/dt -(1/R)dR/dt] (5. 10)<br />
dN/dt = -Dβ(N/R)(dR/dt) (5. 11)<br />
dN/N = -DβVdt/R (5. 12)<br />
Observe, que a relação (1.55) acima, descreve o fenômeno fractal em duas<br />
interpretações: fragmentação e crescimento. Para o processo de fragmentação considera-se<br />
Rmax = cte e r, variável de acordo com a escala, já no processo de crescimento considera-se<br />
23
min = cte (que corresponde ao tamanho das partículas ou elementos de estrutura na escala<br />
inferior) e R = variável de acordo com o método Sand-Box.<br />
Ë certo que se o método Sand-Box, for realizado considerando-se uma caixa R<br />
fixada e tomando-se os diverso tamanhos r das estruturas auto similares encontradas dentro<br />
desta caixa, para cada nível de escalonamento, o processo de fragmenteção também poderá<br />
ser escalonado dinamicamente.<br />
logo:<br />
Reescrevendo-se (1.54) tem-se:<br />
observe, que para Dβ = cte, tem-se:<br />
dN/N = -Dβ(dR/R) (5. 13)<br />
d(lnN)/d(lnR) = -Dβ (5. 14)<br />
N = R -Dβ (5. 15)<br />
6. 7 – Escalonamento Dinâmico Longitudinal e Radial: Uma<br />
aplicação a dinâmica de propagação de trincas<br />
6. 8 - A Dissipação da Energia em um Fractal<br />
24
6. 8.1 - A Função Dissipação<br />
6. 8.2 - A Produção de Entropia<br />
6. 8.3 - O Fluxo de Entropia<br />
6. 8.4 - A Potência Dissipada<br />
6. 9 - Um novo princípio físico de dissipação de energia por detrás<br />
das estruturas fractais encontradas na natureza<br />
A teoria matemática fractal aplicada a descrição de fronteiras ou contornos de<br />
objetos fractais de volumes finitos, admite que estas fronteiras ou contornos, possuem uma<br />
extensão que tende ao infinito (A(δ) → ∞) à medida que o tamanho da régua de medida tende<br />
a zero (δ → 0), enquando o volume permanece limitado, onde: 0 ≤ δ ≤ δmáx e 0 ≤ A(δ) ≤ ∞, e<br />
V(δ) = Vo. Isto tem sido largamente demonstrado pelo diagrama de Richardson aplicado ao<br />
estudo geométrico destes objetos [MANDELBROT 1977].<br />
Por outro lado, o tamanhos de régua, δ, para objetos fractais matemáticos,<br />
uniformes com auto-similaridade exata, são automaticamente determinados pelo tamanho das<br />
estruturas geométricas, lk, que são auto-similares ao todo. Estas estruturas padrões são<br />
encontrados em cada nível de escalonamento k do fractal matemático (0 ≤ k ≤ ∞). Porém os<br />
fractais que aparecem na natureza, chamados de fractais físicos, são estatísticos e limitados<br />
por tamanhos de estruturas auto-similares que determinam tamanhos de régua mínima δmin =<br />
lo e máxima δmáx = Lo (δmin ≤ δ ≤ δmáx) em escalas arbitrárias ε = δ/δmáx = lk/Lo, que se<br />
estendem desde o tamanho macroscópico do objeto, δmáx = Lo até o tamanho do menor<br />
25
detalhe, δmin = lo onde a fractalidade se estende, isto é εmin ≤ ε ≤ εmáx. Como exemplos<br />
podemos citar: o pinheiro, o couve-flor, as dendritas, os relâmpagos, etc. O número das<br />
possíveis estruturas auto-similares de tamanho, lk, existentes neste intervalo, definem os níveis<br />
de escalonamento k existentes no fractal (kmin ≤ k ≤ kmáx).<br />
O fator de transformação da escala (ampliação ou redução), εk, entre dois níveis<br />
quaisquer, tanto para uma fractal matemático como para um fractal físico, é determinado pela<br />
razão entre o tamanho da estrutura auto-similar ao todo, num nível, k, isto é, lk, pelo tamanho<br />
da estrutura auto-similar ao todo num nível, k+1, isto é, lk+1 (onde εk = lk/lk+1, εmin ≤ εk ≤<br />
εmáx).<br />
Portanto, podemos utilizar a idéia geral de que o contorno ou a fronteira de um<br />
objeto fractal seja ele matemático ou físico, tende a um valor máximo, (A(δk) → Amáx), à<br />
medida que o tamanho da estrutura auto-similar, lk tende a um valor mínimo, (lkmin → lo, k →<br />
kmáx), onde Ao = A(δmáx= Lo) ≤ A(δ = lk) ≤ Amáx = A(δmin = lo), para propor um Princípio de<br />
Máxima Dissipação de Energia como consequência direta desta suposição, conforme veremos<br />
a seguir.<br />
Pela relação de escalonamento fractal, o tamanho dos elementos de estruturas, lk<br />
em cada escala, εk, ou nível, k, estão diretamente relacionadas com o número de objetos auto-<br />
similares por uma lei de potência do tipo:<br />
Nk(lk)∼ lk -D . (6. 13)<br />
Para fractais de fragmentação Lmáx = Lo = cte e lk → lmin = lo, para fractais de<br />
crescimento lmin = lo = cte e Lk → Lmáx = Lo. De qualquer forma, o número total de elementos<br />
de estruturas formadas é dado por:<br />
NT = (lmin/Lmáx) -D . (6. 14)<br />
O número, N, em (6. 13) é um número qualquer entre os limites máximo e mínimo<br />
onde o número mínimo é N(lmin) = 1 para fractais de crescimento e N(Lmáx) = 1 para fractais<br />
de fragmentação.<br />
Supondo-se que a energia Uk (onde k é o índice do escalonamento fractal)<br />
utilizada para formar um padrão geométrico fractal deste tipo, em um processo físico, é<br />
diretamente proporcional ao volume do fractal, ou ao número de elementos de estruturas<br />
geradas, tem-se então que:<br />
26
Uk (lk) =ρuVk(lk) = µN(lk) (6. 15)<br />
onde ρu é a densidade volumétrica de energia e µ é energia unitária para forma um elemento<br />
da estrutura. O volume do fractal é dado por:<br />
ou ainda<br />
Vk(lk) = N(lk)lk d , (6. 16)<br />
Uk(lk) = ρu N(lk)lk d = µ(lk/Lk) -D , (6. 17)<br />
Sistemas que apresentam um consumo de energia (no processo dinâmico de<br />
dissipação) que se reflete diretamente na estrutura dos padrões geométricos formados, podem<br />
ser tratados por uma relação diretamente proporcional as duas grandezas contidas na (6. 15).<br />
Logo no limite:<br />
ou seja<br />
logo:<br />
Uk(lk → lmin) =ρu(lmin/Lmáx) -D lmin d = µ(lmin/Lmáx) -D , (6. 18)<br />
Logo para a relação (6. 16) e (6. 17) temos que:<br />
Uk - Uk-1 ~ Vk(lk) - Vk(lk)k-1, (6. 19)<br />
∆Uk(lk→lmin)=ρu∆Vk(lk)=(d-D)ρu(lmin/Lmáx) -D lmin d-1 =-Dµ(lmin/Lmáx) -<br />
D lmin -1<br />
Veja que a área do contorno do fractal é dada por:<br />
27<br />
(6. 20)<br />
Ak(lk → lmin) = Amáx ~ NTlmin d-1 = (lmin/Lmáx) -D lmin d-1 , (6. 21)<br />
∆Uk(lk → lmin) ~ Ak(lk → lmin) → ∆Umax = Amáx , (6. 22)<br />
Se o tempo de criação de cada estrutura auto-similar em cada nível, for<br />
diretamente relacionado ao seu tamanho da seguinte forma:<br />
por outro lado temos de (6. 23) que:<br />
ou seja ou seja<br />
t → tmin ⇔ lk d →l d min, (6. 23)<br />
tk - tk-1 ~( l d k – l d k-1)/vk, (6. 24)
∆tk ~ ∆l d k/ vk, (6. 25)<br />
A potência dissipada pode ser expressa a partir de (6. 20) e (6. 25) como:<br />
ψ(lk) = ∆Uk/∆tk =ρu∆Vk(lk)vk/∆l d k, =µ∆Nk(lk)vk/∆l d k, (6. 26)<br />
como no limite Lim ∆tk (∆l d k → l d min) = ∆tmin então:<br />
ψ = (d-D)ρu(lmin/Lmáx) -D lmin d-1 vk/lmin d = -Dµ(lmin/Lmáx) -D lmin -1 vk/lmin d (6. 27)<br />
Para a estutura fratal completamente formada temos que a potência máxima<br />
dissipada na formação da estrutura fractal é dada comparando-se (6. 21) com (6. 27) e<br />
obtendo:<br />
portanto<br />
ψ = ψmáx → Ak(lk→lmin)vk/lmin d = Amaxvk/lmin d , (6. 28)<br />
ψmax = (d-D)ρu(lmin/Lmáx) -D vk/lmin = -Dµ(lmin/Lmáx) -D vk/lmin d+1 (6. 29)<br />
Este é o Principio da Máxima Dissipação da Energia (PMDE) para a formação de<br />
estruturas escalonadas. Sistemas que desenvolvem este tipo de estrutura podem ser chamados<br />
de sistemas de acúmulo crítico de energia com dissipação por sobrecarga de caráter<br />
geométrico formando padrões de dissipação com as trincas e as rupturas dielétricas, por<br />
exemplo. O valor deste acúmulo é dado pela relação (6. 18). Ou ainda<br />
ψmax = (d-D)ρuNT vk/lmin = -DµNT vk/lmin d+1 (6. 30)<br />
Onde a densidade volumétrica de energia é dada por:<br />
ρu = Dµ/(D-d)lmin d (6. 31)<br />
Observe de (6. 18) que a energia de formação de toda a estrutura fractal tende a<br />
um valor fixo. Portanto se a entropia ST total de formação da estrutura fractal depende da<br />
escala, ε, isto é, Sk ∼ lk/Lo, temos que:<br />
Sk → ST ⇔ Nk → NT, (6. 32)<br />
Sendo a entropia uma grandeza extensiva, o grau de desordem do sistema estará<br />
diretamente relacionado com a extensão do contorno do padrão geométrico formado, Ak(lk),<br />
ou com o número de níveis, k, de escalonamento do fractal, N. Como a cada nível, k, tem-se<br />
um tamanho de estrutura auto-similar, lk, diferente, a entropia como sendo uma grandeza<br />
28
extensiva dependerá do tamanho da escala εk = lk/Lmáx. A relacão entre energia dissipada e<br />
entropia é dada por:<br />
ψmáx = T∆ST/∆tmin, (6. 33)<br />
Portanto os processos dinâmicos que possui um aumento da entropia,<br />
demonstrado pelo aumento da quantidade de níveis de escalonamento, k, entre um valor<br />
mínimo e máximo, pode ter este aumento relacionado a um PMDE ou a um Princípio de<br />
Máxima Produção de Entropia (PMPE), num regime de instabilidade que dá origem ao padrão<br />
geométrico fractal conforme mostra a expressão abaixo:<br />
T∆Smáx/∆tmin = (d-D)ρu(lmin/Lmáx) -D vk/lmin = -Dµ(lmin/Lmáx) -D vk/lmin d+1 (6. 34)<br />
Por outro lado, sistemas cuja relação (6. 34) não é direta e sim inversa, a proposta<br />
de um principio de máxima Dissipação pode até existir em outras condições, mas<br />
possivelmente não estará refletido no caráter geométrico da estrutura formada.<br />
6. 10 - O Modelamento multifractal de crescimento<br />
(3.7) em (3.6) temos:<br />
Um modelamento multifractal de crescimento pode ser obtido substituindo (3.8) e<br />
dN/dt = -Dq(q-1) (N/R)(dR/dt), (6. 35)<br />
Para o escalonamento estático podemos escrever:<br />
dN/N = -Dq[(q-1) /R]dR, (6. 36)<br />
Observe que as relações (3.9) e (3.10) acima, descrevem o fenômeno fractal em<br />
duas interpretações: fragmentação e crescimento [ ]. Para o processo de fragmentação<br />
considera-se Rmax = cte e r, variável de acordo com a escala, já no processo de crescimento<br />
considera-se rmin = cte (que corresponde ao tamanho das partículas ou elementos de estrutura<br />
na escala inferior) e R variável de acordo com o escalonamento do método Sand-Box.<br />
É certo que se o método Sand-Box for realizado considerando-se uma caixa R<br />
=Rmáx fixada e tomando-se os diversos tamanhos r das estruturas auto similares internas,<br />
encontradas dentro desta caixa, para cada nível de escalonamento k(t), o processo de<br />
fragmentação também poderá ser escalonado dinamicamente.<br />
Integrando (3.9) de uma forma geral temos:<br />
29
N(R,t) = Noexp{- Dq(q-1) Vdt/R},<br />
30<br />
(6. 37)<br />
Ainda de (3.10) temos que d(lnN)/d(lnR) = -Dβ, observe que para Dq(q-1) = cte,<br />
ficamos com N(t) = [r/R(t)] -Dq(q-1) .<br />
Da expressão (3.9) nós vemos que para inferir o resultado dinâmico a partir do<br />
estático é preciso necessariamente conhecer a função velocidade V(R,t) ao longo de toda a<br />
estrutura. Isto só é possível se houver algum princípio geral [ALVES, 1998b] que possa nos<br />
fornecer alguma informação sobre o comportamento desta função para estruturas fractais<br />
deste tipo. Este tipo de tratamento será feito mais adiante, para descrever o processo de<br />
dissipação de energia de uma trinca longitudinal ou radial ramificada utilizando a expressão<br />
da velocidade de propagação de uma trinca válida para cada uma destes casos.<br />
Considerando µ = dU/dN = cte a energia total de um fractal é dada por:<br />
dU(R,V,t)/dt = µdN(R,V,t)/dt, (6. 38)<br />
Esta é a expressão geral para a função que descreve o crescimento de uma<br />
estrutura fractal laplaciana em função da dimensão radial R e do tempo t. Substituindo (3.7)<br />
em (3.19) temos que a potência dissipada na formação do fractal é dada por:<br />
dU(R,V,t)/dt = -µDq(q-1)[N(R,V,t)/R]V(R,t), (6. 39)<br />
onde N(R,V,t) é dado por (3.18) e V(R,t) é dado por (3.16). De acordo com GRASSBERGER<br />
[1981, 1983], Dq(q - 1) = τq = f(α(q)) - qα., é maximo para q = 0, ou seja, a dimensão fractal<br />
da estrutura possui um valor máximo, Dq=0 =fmáx(α(0)) dentro do espectro multifractal de<br />
dimensões, quando q = 0. Então a potência dissipada possui um valor máximo quando esta<br />
condição é satisfeita.<br />
6. 11 – Discussões
6. 12 - Conclusões<br />
6. 13 - Referências bibliográficas<br />
ALLEN, Martin; Brown, Gareth J.; Miles, Nick J. -”Measurements of boundary fractal<br />
dimensions: review of current techniques” Powder Techn. 84 (1995) 1-14.<br />
ALVES, Lucas Máximo. “Estudo da solidificação de ligas de Silício-Germânio para<br />
aplicações termoelétricas”, Dissertação de Mestrado FCM-IFSC-USP-1995.<br />
ALVES, L. M., Simulação Bidimensional da Propagação de Trincas em Materiais Frágeis:<br />
Parte – I, In: Anais do 41 o Congresso Brasileiro de Cerâmica, 1997, São Paulo-SP. Artigo<br />
publicado neste congresso ref.063/1<br />
ALVES, Lucas Máximo – Esaclonamento dinâmico da fractais laplacianos baseado no<br />
método Sand-Box, In: Anais do 42 o Cong. Bras. de Cerâmica, Poços de Caldas de 3 a 6 de<br />
Junho, 1998. Artigo a ser publicado neste congresso ref.007/1<br />
ALVES, Lucas Máximo - Um novo principio de dissipação de energia para a fratura baseado<br />
na teoria fractal, In: Anais do 42 o Cong. Bras. de Cerâmica, Poços de Caldas de 3 a 6 de<br />
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