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Attrattore di Lorenz

Tre EDO accoppiate, tre parametri e un attrattore strano che non si ripete mai. Una simulazione interattiva del caos deterministico — l'effetto farfalla reso visibile. [REVIEW NEEDED]

Nel 1963, il meteorologo del MIT Edward Lorenz semplificò la convezione atmosferica a tre equazioni differenziali accoppiate. Scoprì che le loro soluzioni — nonostante la loro apparente semplicità — non si stabilizzavano mai in orbite periodiche. Tracciano invece un attrattore strano: una struttura frattale di infinita complessità topologica.

La simulazione interattiva sopra permette di esplorare lo spazio dei parametri — σ (numero di Prandtl), ρ (numero di Rayleigh), β (rapporto d’aspetto) — e di osservare direttamente la dipendenza sensibile tramite la traiettoria Fantasma.

Contesto storico — convezione e imprevedibilità

Lorenz scoprì il comportamento caotico per caso: riavviando un calcolo da un tabulato (arrotondato a tre cifre decimali invece di sei), ottenne una traiettoria completamente diversa. Una differenza di 0,000127 si era espansa in meno di due giorni simulati fino a coprire l’intero attrattore.

Punti fissi e biforcazione

Il sistema di Lorenz ha tre punti fissi: l’origine e due punti simmetrici C±. Al valore classico ρ = 28, tutti i punti fissi sono instabili — le traiettorie vagano caoticamente tra i due lobi.

Geometria dell’attrattore strano

L’attrattore di Lorenz è un attrattore strano con dimensione frattale d_KY ≈ 2,062. Il più grande esponente di Lyapunov λ₁ ≈ 0,906 s⁻¹ quantifica il tasso medio di divergenza esponenziale. Il tempo di Lyapunov τ_L ≈ 1,1 s è il tempo caratteristico dopo il quale una perturbazione di dimensione ε è cresciuta all’ordine 1.

∞ Attrattore di Lorenz — Simulazione interattiva

The system evolves under dx/dt = σ(y−x), dy/dt = x(ρ−z)−y, dz/dt = xy−βz. Classic parameters σ = 10, ρ = 28, β = 8/3 produce the strange attractor. The Ghost (red) starts with Δx = 0.01 — initially indistinguishable, diverging exponentially.

Equazioni di Lorenz (σ = 10, ρ = 28, β = 8/3):
dx/dt = σ(y − x)
dy/dt = x(ρ − z) − y
dz/dt = xy − βz
Punti fissi (non triviali):
C± = (±√(β(ρ−1)), ±√(β(ρ−1)), ρ−1)

Drag on the canvas to orbit. The colour encodes velocity magnitude (blue = slow, red = fast). Ghost trajectory (red line) starts Δx = 0.01 from the primary — watch exponential divergence.

λ Attrattore strano — Topologia e caos

Esponenti di Lyapunov (σ=10, ρ=28, β=8/3):
λ₁ ≈ +0.906, λ₂ ≈ 0, λ₃ ≈ −14.572
Dimensione di Kaplan-Yorke:
d_KY = 2 + λ₁/|λ₃| ≈ 2.062
Tempo di Lyapunov (raddoppio della perturbazione):
τ_L = 1/λ₁ ≈ 1.1 s

The attractor is a fractal surface of dimension ≈ 2.06 — not a 2D surface and not a 3D volume, but something between. Nearby trajectories separate at rate e^{λ₁t} while the attractor as a whole is dissipative (sum of Lyapunov exponents < 0): volume in phase space contracts at rate σ + 1 + β ≈ 13.7.