6.4 Tipuri de sisteme distribuite

în par. 5.2.2.3 am văzut că fluxurile materiale, ca procese colective de transport a unei mulţimi de obiecte, se pot clasifica în trei clase fundamentale S, L şi G, după tipul de relaţii existente între referinţele spaţiale interne ale obiectelor şi referinţa spaţială globală a mulţimii.

Reaminim că aceste tipuri de relaţii sunt:

1)      Relaţii de tip S - Dacă pe durata mişcării relaţiile dintre referinţele interne T şi R ale obiectelor componente sunt invariante, atât între obiectele vecine cât şi faţă de referinţa omoloagă T şi R comună, întreaga distribuţie se va mişca precum un corp solid (rigid). în acest caz referinţa globală (internă mulţimii) atât T cât şi R are o poziţie definită faţă de un SR extern, iar variaţia acestei poziţii reprezintă mişcarea de ansamblu a distribuţiei spaţiale a mulţimii. Se poate observa că la acest tip de relaţii S, mişcările interne libere ale elementelor obiectului compus, atât T cât şi R, sunt interzise.

2)      Relaţii de tip L - Dacă numai relaţiile dintre referinţele interne T ale elementelor vecine se menţin invariante (elementele rămân adiacente, în contact permanent, pe tot parcursul mişcării, dar se pot roti liber), întreaga distribuţie se va mişca precum o porţiune finită dintr-un lichid, ce-şi conservă volumul dar nu-şi conservă forma (distribuţia internă a poziţiei spaţiale a elementelor). în acest caz există doar o referinţă comună T (centrul de masă pentru cazul unei porţiuni de lichid) a cărei mişcare faţă de o referinţă externă T reprezintă mişcarea globală a obiectului compus.

3)      Relaţii de tip G - Dacă nu există nicio relaţie invariantă între referinţele interne T şi R ale componentelor şi referinţa comună T şi R a distribuţiei, elementele respective nu mai formează un obiect compus, fiecare din aceste elemente mişcându-se independent, precum moleculele unui gaz. în cazul tipului de relaţii G este permisă orice fel de mişcare internă, iar între mişcările T şi cele R nu mai există nicio relaţie de interdependenţă.

Posibilitatea mişcărilor relative de translaţie în cadrul cuplurilor de elemente vecine, aşa cum vom vedea mai încolo, este strict dependentă de distribuţia temporală a intensităţii interacţiunii. Pentru un SD ale cărui elemente sunt într-o permanentă legătură (domeniile spaţiale interne sunt mereu adiacente), translaţia liberă a acestora este exclusă (există mişcări de translaţie, dar acestea nu sunt libere ci se produc sub acţiunea permanentă a unui sistem de forţe). Posibilitatea mişcărilor de rotaţie este la rândul ei dependentă (în cazul unor interacţiuni permanente) de neuniformitatea distribuţiei spaţiale a intensităţii interacţiunii faţă de SR intern al fiecărui element al SD. Cu cât această distribuţie este mai neuniformă (mai anizotropă), cu atât este mai puţin posibilă rotaţia elementelor unul faţă de celălalt. Dacă această distribuţie este uniformă (izotropă) nu mai există direcţii preferenţiale de legătură, şi elementele se vor putea roti faţă de vecini după bunul lor plac.

Conform acestor precizări, la sistemele distribuite, două din criterii - (an)izotropia şi distribuţia în timp a intensităţii interacţiunii - permit clasificarea acestora în următoarele tipuri:

a)      Sisteme de tip S (cu reprezentantul lor tipic, solidele), caracterizate de:

-      interacţiune permanentă;

-      anizotropie pronunţată a intensităţii interacţiunii (care duce la limitarea drastică a schimbărilor de poziţie ale elementelor, atât T cât şi R). Pentru acest tip de SD, între elementele acestuia există exclusiv relaţii de tip S.

b)      Sisteme de tip L (cu reprezentantul lor tipic, lichidele), caracterizate de:

-      interacţiune permanentă;

-      intensitatea interacţiunii (evaluată faţă de SR intern al elementelor de SD sau al unui grup de elemente) cvasiizotropă (este permisă schimbarea de poziţie prin rotaţie nedefinită, cel puţin la nivel de submulţimi de elemente). Pentru acest tip de SD există relaţii de tip L fie la nivel de element, fie de submulţimi de elemente.

c)      Sisteme de tip G (cu reprezentantul lor tipic, gazele), caracterizate de:

-      interacţiune nepermanentă (în majoritatea timpului elementele sunt izolate între ele, interacţiunile cu restul mediului fiind neglijabile, singurul tip de interacţiune fiind ciocnirile ce au loc pe durate foarte scurte);

-      intensitatea interacţiunii este izotropă (parametrii interacţiunii prin ciocnire nu au o direcţie preferenţială). Pentru acest tip de SD, între elementele acestuia există exclusiv relaţii de tip G.

Interacţiunea nepermanentă caracteristică mediilor G ne permite introducerea noţiunii de sistem liber, ca fiind acel sistem ale cărui interacţiuni cu restul sistemelor sunt neglijabile (pentru anumite intervale de timp). Acest fapt face ca drumul parcurs în intervalul de timp cât sistemul este izolat să fie numit liber parcurs. Noţiunea de liber parcurs (sau drum liber) este reală doar la acest tip de mediu (restrîngerea volumului prin comprimare se face doar pe seama reducerii liberului parcurs şi nu a modificării intensităţii interacţiunii, de aici rezultând marea compresibilitate a acestor medii).

Putem face câteva observaţii referitoare la clasificarea de mai sus:

1)   Sistemele cu interacţiune permanentă (tip S şi L) nu permit translaţia liberă internă, de aici rezultând compresibilitatea lor foarte mică; existenţa acestei interacţiuni permanente, inclusiv pentru elementele aflate la periferia sistemului, face ca aceste SD să aibă o suprafaţă de separaţie definită (ca arie şi formă pentru mediile S şi numai ca arie pentru mediile L) faţă de mediul înconjurător, şi corespunzător, un volum propriu definit.

2)   Sistemele cu distribuţie izotropă a intensităţii interacţiunii faţă de referinţa internă R a elementelor permit rotaţia elementelor. După cum se va vedea cu altă ocazie, sisteme cu caracteristici anizotrope ale interacţiunii la mică distanţă pot forma un mediu izotrop (sau cvasiizotrop) dacă sunt creeate condiţiile pentru rotaţia elementelor (de exemplu prin creşterea distanţei dintre elemente peste raza de manifestare a anizotropiei, situaţie prezentă de exemplu în faza de curgere a materialelor supuse solicitărilor la întindere, sau în urma dilatării termice).

 

Comentariul 6.4.1: Este momentul să facem o precizare privind termenul de (an)izotropie. Să fie foarte clar, până acum în acest capitol, a fost vorba de izotropia sau anizotropia distribuţiei spaţiale a unui singur atribut: intensitatea interacţiunii bilaterale dintre elementele unui SD (în cazul unui MN, între atomii sau moleculele acestuia). Nu este vorba de izotropia sau anizotropia altor proprietăţi cum ar fi densitatea masică, indicele de refracţie, transparenţa la fotoni etc. toate acestea menţionate din cauza unei confuzii întâlnite în literatura tehnică, şi anume cazul sticlelor, care mai sunt numite "lichide subrăcite şi îngheţate"[1]. Faptul că proprietăţile macroscopice menţionate mai sus sunt cu distribuţie izotropă în sticle, similar cu lichidele, nu însemnă însă că la nivel molecular, distribuţia intensităţii interacţiunilor dintre moleculele sticlei nu este pronunţat anizotropă (cu direcţii preferenţiale de legătură), împiedicând rotaţia moleculelor una faţă de alta, fapt ce conferă caracterul nedeformabil acestui material.

 

Este important de remarcat că în mediile cu translaţie liberă interzisă este totuşi posibilă mişcarea de translaţie, dar nu liberă, ci prin modularea intensităţii interacţiunii, translaţia forţată (de exemplu vibratorie). Acelaşi lucru este valabil şi pentru mişcarea de rotaţie.

Clasificarea în sisteme S, L sau G este universală. După cum se va vedea mai departe, în categoria sistemelor de tip S vor putea fi încadrate pe lângă solide, biosistemele, sistemele materiale artificiale, sistemele suport de informaţie (deci şi sistemele abstracte) etc. în categoria sistemelor de tip L mai pot fi încadrate mediile electronilor de conducţie din metale, plasmele (fracţiunea ionizată a acestora), mediile granulare uscate etc. Sistemele de tip G mai cuprind pe lângă gazele neionizate, un segment de SD extrem de important - biopopulaţiile (mediile organismale sau cele formate din celule independente) - în care semnificaţia noţiunilor de "liber" şi "libertate" rămâne cea menţionată mai sus.

Din p.d.v. al capacităţii de menţinere a SD fără bariere exterioare suplimentare (bariere care vor fi analizate mai târziu), implicând de data aceasta sensul interacţiunii, SD se împart în:

a)      SD cu automenţinere, în care se încadrează doar SD tip S cu interacţiuni atractive numite S_A, singurele sisteme care se automenţin fără bariere exterioare;

b)      SD cu menţinere forţată, care mai pot fi departajate în:

*      Sisteme la care interacţiunile sunt permanente, de atracţie, dar insuficiente pentru menţinerea sistemului fără ajutorul unei bariere exterioare. Aceste sisteme sunt o fracţiune a mediilor de tip L numite medii tip L_A, şi au ca reprezentant tipic lichidele obişnuite (care se menţin în fază lichidă, la o temperatură dată, doar în condiţiile presiunii atmosferice datorată câmpului gravitaţional ­ bariera naturală - sau tot sub presiune în interiorul unei incinte solide - bariera naturală sau artificială).

*      Sisteme la care interacţiunile sunt permanente dar de respingere (fie la distanţă, fie doar la contactul dintre elemente), în care se încadrează mediile S cu interacţiuni repulsive numite S_R[2] şi restul mediilor de tip L, numite L_R (straturile superficiale ale depozitelor de materiale granulare: pulberi uscate, nisip, pietriş, dar şi mediul electronilor de conducţie din metale etc.).

*      Sisteme cu interacţiuni nepermanente, SD de tip G.

Până aici am discutat despre menţinerea sistemelor abiotice naturale, dar trebuie să menţionăm că problema menţinerii mediilor se pune absolut la fel şi pentru sistemele biotice. De exemplu ţesuturile sau organismele sunt medii de tip S_A (deci cu automenţinere cât timp sunt vii), pe când populaţiile umane (de exemplu) sunt un ansamblu de medii de tip G (cu menţinere forţată); aceste populaţii nu pot fi menţinute decât cu ajutorul unor bariere:

a)    bariere naturale (câmpul gravitaţional, formele de relief, resursele de hrană şi de energie etc.);

b)   bariere artificiale:

-  bariere administrative (frontierele bine păzite);

-  bariere informaţionale (limba, tradiţiile, religia etc.).

Barierele artificiale sunt asigurate de către un sistem centralizat ­ puterea administrativă ­ care menţine prin interacţiunile sale puternice toate mediile sociale (mediile componente ale populaţiei).

Sistemele de tip S mai pot fi clasificate după numărul şi poziţia elementelor ce formează vecinătatea unui element luat ca referinţă:

1)    Sisteme S monodimensionale (de tip şir), în care vecinătatea este formată dintr-un singur element într-o direcţie dată (molecule liniare, sistemele suport de informaţie scrisă sau vorbită etc);

2)    Sisteme S bidimensionale, în care vecinătatea este formată din elemente cu poziţii incluse într-un plan paralel cu planul tangent prin elementul referinţă (suprafeţele exterioare ale corpurilor solide, epiderma organismelor, imaginile 2D etc);

3)    Sisteme S tridimensionale, în care se încadrează toate celelalte sisteme S.

Clasificările făcute până acum au avut în vedere faptul că elementele sistemelor descrise au structura nealterată (completă). Dacă unele elemente din compunerea SD sunt parţial descompuse, vom avea un sistem parţial disociat, gradul de disociere al sistemului fiind proporţional cu numărul elementelor descompuse faţă de numărul total de elemente al sistemului (mediului). în această categorie intră de exemplu plasmele, soluţiile ionice, biopopulaţiile formate din familii de indivizi sexuaţi între care sunt dispersaţi indivizi maturi necuplaţi în familii etc.

 

Comentariul 6.4.2: Termenul "disociere" sugerează operaţia inversă celei de asociere, deci desfacerea (dezmembrarea) unui sistem. Prin disociere, sistemul poate pierde unul sau mai multe din elementele sale (faţă de configuraţia completă de model), mergând până la descompunerea totală a sistemului. Sensul utilizat curent pentru acest termen este restrâns la descrierea dezmembrării unor sisteme particulare (cum ar fi atomii, moleculele), dar poate fi utilizat şi pentru descompunerea altor sisteme ce prezintă atribute de sarcină, cum ar fi familiile biosistemelor sexuate. în cazul sistemelor disociate, interacţiunea fragmentelor sistemului disociat este mult  diferită de cea a sistemului nedisociat. După cum se va vedea mai departe, acest fapt este propriu mai ales sistemelor caracterizate prin interacţiune de sarcină. Disocierea, prin modificarea intensităţii şi duratei interacţiunii, poate duce la schimbarea tipului mediului faţă de un mediu nedisociat. De exemplu, gazele ionizate (plasmele), nu mai sunt medii G, deoarece interacţiunea moleculelor ionizate între ele este permanentă (cât timp durează ionizarea), deci nu mai există liber parcurs decât pentru moleculele neionizate.

 

Dacă sistemele care intră în componenţa unui SD sunt toate de acelaşi tip, vom spune că mediul respectiv este pur. Noţiunea de puritate este graduală (fiind măsurabilă), rar întâlnită în mediile abiotice dar frecventă în cele biotice şi artificiale.

 

Comentariul 6.4.3: Dacă în limbajul uzual noţiunea de puritate este folosită  mai ales în legătură cu mediile naturale (cristale pure,  lichide sau gaze pure etc), nu înseamnă că ea nu poate fi utilizată şi pentru caracterizarea altor medii formate dintr-un singur  tip de elemente. De exemplu, o cultură bacteriană formată prin  divizarea aceluiaşi tip de celulă în condiţii sterile, este din  punct de vedere genetic un mediu pur (dacă nu intervin mutaţii). Există de asemenea termenul de puritate etnică pentru mediile sociale.