El atractor de Lorentz ` ` Models Matematics i Sistemes Dinamics, curs 2011-2012 (primavera)

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Problema ´ 2D (−∞ Consideramos un fluido (o gas) en una seccion

< x < ∞,

0 ≤ y ≤ π ) y suponemos que tenemos una diferencia de temperatura T entre la parte de abajo y arriba (de hecho en un fluido 3D se producen flujos 2D). ´ Se produce un proceso de conveccion

→ Queremos deducir las ecuaciones de movimiento del fluido. APMs – p.2/11

Ecuaciones (1) Suponemos que el fluido viene descrito por un campo de velocidades

v(x, y, t) = (vx (x, y, t), vy (x, y, t)) Ley de Newton:

F = ma ´ es: La aceleracion

a = (∂t + ∂v )v donde ∂t

= ∂/∂t y ∂v = vx ∂/∂x + vy ∂/∂y .

→ Falta determinar la fuerza F por unidad de volumen del fluido (suponemos densidad d = m/V = 1 “en promedio”).

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Ecuaciones (2) La fuerza F a la que esta sometido el fluido es la suma de 3 contribuciones: ´ P = P (x, y) crea una fuerza (conservativa) que viene dada • La presion por

−∇P = (−∂x P, −∂y P ) ´ en el fluido (disipacion ´ de viscosidad) que viene dada por • Friccion

ν∆v donde ∆

= ∂xx + ∂yy (operador Laplaciano).

• Una fuerza exterior Fext que, en nuestro caso, vendra´ producida por la diferencia de temperatura (el fluido caliente es menos denso que el fr´ıo y tiende a subir).

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Ecuaciones (3): Navier-Stokes Por lo tanto, la ley de Newton F

´ = m a nos da la ecuacion

∂t v = −∂v v − ∇P + ν∆v + Fext que se conoce con el nombre de EDP de Navier-Stokes (de un fluido incompresible de densidad constante).

→ Fluido incompresible ⇔ div(v(x, y, t)) = 0 i.e. la densidad permanece constante (es una idealizacion que supone que no ´ incomprensible” que el aire). puedo apretar el fluido, p.ej. el agua es “mas

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Ecuaciones (4) ´ de → Un campo vectorial 2D con div = 0 tiene asociada una funcion corriente Ψ (constante sobre las l´ıneas de corriente), de manera que

vx = −∂y Ψ, vy = ∂x Ψ ´ de corriente ha → Pedimos que el fluido este´ en 0 < y < π , luego la funcion de ser constante sobre las fronteras y = 0 y y = π (de manera que el flujo se mueva tangencialmente a las fronteras). ´ ψ se obtiene Si escribimos Navier-Stokes en terminos de la funcion

∂t ∆ψ = −∂v ∆ψ + ν∆2 ψ + rot Fext donde rot F

= ∂x Fy − ∂y Fx .

Se denomina EDP Navier-Stokes en forma de vorticidad (rot v

= ∆ψ ). APMs – p.6/11

Influencia de la diferencia de temperatura Sea T la temperatura en y

= 0 (abajo) y suponemos que arriba es 0. ´ estacionaria de temperatura: τstat (x, y, t) = T − yT /π . Distribucion ´ (real) de temperatura: τ (x, y, t) Distribucion Diferencia: Θ(x, y, t) = τ (x, y, t) − τstat (x, y, t) ´ de calor en el fluido, se puede ver que Si se tiene conduccion

∂t Θ = −∂v Θ − ∂v (−yT /π) + k ∆Θ

(1)

´ termica. ´ donde k es el coeficiente de expansion Por otro lado, se puede ver que se crea una fuerza Fext

= (0, cτ (x, y, t)

(donde c es una constante) que da un termino en Navier-Stokes

∂t ∆ψ = −∂v ∆ψ + ν∆2 ψ + c ∂x Θ

(2) APMs – p.7/11

Ecuaciones definitivas Las ecuaciones (1) y (2) describen la dinamica del fluido en 0

≤y≤π

∂t ∆ψ = −∂v ∆ψ + ν∆2 ψ + c ∂x Θ ∂t Θ = −∂v Θ − ∂v (−yT /π) + k ∆Θ

Son el punto de partida (p.134) de Lorentz. APMs – p.8/11

´ al sistema de ecuaciones 3D Reduccion Se buscan soluciones en forma de serie de Fourier (adaptada, se han de ´ de la base cumplir condiciones en la frontera), en concreto, como combinacion

{ψn,a , θn,a } = (sin(ax) sin(ny), cos(ax) sin(ny)) Igualando (formalmente) orden a orden el desarrollo que se obtiene al ´ en las ecuaciones anteriores se encuentra a ordena introducir la combinacion ´ mas bajo un termino en ψ1,a , otro en θ1,a y uno extra en − sin(2y) (los ´ ´ funciones de t). Las ecuaciones que cumplen esos tres terminos ´ terminos son son las ecuaciones de Lorentz

x˙ = σ (y − x) y˙ = ρx − y − xz z˙ = −βz + xy APMs – p.9/11

Ecuaciones de Lorentz

x˙ = σ (y − x) y˙ = ρx − y − xz z˙ = −βz + xy ´ Parametros:

σ, ρ, β > 0

σ – coeficiente de Prandtl ρ– coeficiente de Rayleigh β – coeficiente de ratio de aspecto = −(σ + 1 + β) < 0 ´ Valores de Lorentz clasicos: σ = 10, ρ = 28, β = 8/3.

Se tiene div

˜ Ensenar: lorentz.gnu, comp lorentz.gnu, z max.gnu APMs – p.10/11

´ resp. Evolucion

ρ

Fijamos σ y β .

• ρ < 1: El (0, 0, 0) es un nodo atractor y es el unico punto fijo. ´ de Pitchfork. • ρ = 1: vaps {0, −β, −(1 + σ)}, bifurcacion Aparecen 2 puntos fijos (nuevos)

p p (x, y, z) = (± β(ρ − 1), ± β(ρ − 1), ρ − 1) ´ (en principio) focos atractores. que son ´ inestable (W u es 1D). El (0, 0, 0) es un punto silla con 1 direccion

• ρ = ρh = σ(σ + β + 3)/(σ − β − 1)): Los 2 puntos que aparecieron ´ de Hopf y se vuelven focos inestables. para ρ = 1 sufren una bifurcacion Si σ

= 10 y β = 8/3 se tiene ρh ≈ 24.74. Hemos considerado ρ = 28. APMs – p.11/11