复摆运动状态的研究

物理与T稗V01．19No．52009 复摆运动状态的研究 曲光伟 王艳辉 邹德滨 张天洋 (大连理工大学物理与光电工程学院，辽宁大连 116023) (收稿日期：2008—07-02) 摘 要 从复摆的运动方程出发，利用计算机对其各种运动情况进行模拟，研究复摆从周期运 动转化到混沌运动的过程，深化复摆实验内容，拓宽复摆实验的研究空间． 关键词 复摆；倍周期；混沌；相空间 STUDYONTHEMOTIONBEHAVIoRSOF THECOMPOUNDPENDULUM QuGuangweiWangYanhuiZouDebinZhangTianyang (SchoolofPhysiscsandOptoelectronieTechnologyofDalianUniversityofTechnology，Dalian，Liaoning116023) AbstractBasedonthemotionequationofthecompoundpendulum，varioustypicalmotion casesaresimulatedbymeansofacomputer，andtheprocessfromperiodicbehaviorstochaos isinvestigated．Thesestudiescanfurtherexpandtheexperimentalcontentsofthecompound pendulumandwidentheresearchspace． Keyscompoundpendulum；period—doubling；chaos；phasespace l 引言 将先进的科学技术引进物理实验，使学生在 实验教学中经历与科研工作相似的过程，培养学 生从事科学研究的能力，是开展研究性物理实验 教学的主要目的．复摆实验是大学物理实验中基 本的力学实验之一，在教学中通常只考虑其简谐 振动的情况，内容比较单一，没有太多的研究空 间．实际上，当复摆在驱动力矩及阻尼力矩的作用 下，将出现复杂的非线性运动，而且在一定的条件 下可通过倍周期分岔逐渐进入到混沌运动状态． 混沌运动是确定性非线性动力学系统所特有的复 杂运动状态，是一种貌似随机的不规则运动，混沌 的发现被誉为继相对论和量子力学后的第三次物 理学革命，混沌的研究一直备受学术界的关注．如 果将复摆的这些非线性振动特性引入物理实验， 不仅可以加深学生对复摆运动规律的认识，给学 生提供一个宽阔的研究空间，而且还有助于学生 了解物理学的发展前沿，开阔学生的视野．本文从 复摆的运动方程出发，利用计算机进行数值求解， 研究复摆从周期运动转化为混沌运动的过程． 2运动方程 对如图1所示的复摆，设其质量为m；对转轴 0的转动惯量为I；质心C到转轴的 距离为h．如果复摆振动时受到的阻 尼力矩是一k_dO；周期性驱动力矩为 Ot Fcos∞Ft；重力矩为一mghsinO，则复 摆的运动方程可以写为 J dd￡z。0 d出O+嘲^sinO=Fc。sc￡JFf (1) 图1 复摆 对式(1)进行无量纲化得 ddJrO。+2卢磊dO+sin臼一厂c。s∞F (2) 其中，卢一万ki，称为无量纲阻尼系数；∞。= ~／瓦再7了是复摆的固有频率；厂一F／1w：是无量纲 万方数据 物理与丁程V01．19No．52009 驱动力振幅；∞，一cc，，／∞。是无量纲驱动力频率； r=cu。t是无量纲时间． 方程(2)用解析法求解很困难，我们采用龙 格一库塔法对其进行数值求解，并用Origin软件作 图来显示计算结果．通过对p和厂参数的调节，我 们分别模拟研究复摆的简谐振动、阻尼振动、有外 力驱动时的周期运动和混沌运动． 3运动状态的模拟研究 (1)简谐振动 当无量纲阻尼系数口一0；无量纲驱动力振幅 ．厂一0时，复摆处于理想振动状态，在摆角较小时， J口 通过数值计算可得复摆的振动曲线及其在p和半 Ur 构成的相空间的运动轨迹，如图2所示．可以看 出，数值结果与解析结果完全相同．其相图是一闭 合曲线，进一步明复摆运动的周期性． 图2复摆作简谐振动时的振动曲线和相轨迹 (2)阻尼振动 无阻尼的保守系统只是一种理想情况，实际 的系统总是或多或少地存在阻尼，阻尼的存在将 使保守系统封闭的相图遭到破坏．模拟时取无量 纲阻尼系数口=0．1，无量纲驱动力振幅厂=0，结 果显示在图3中． 1．2 O．8 0．4 O -0．4 -0．8 0．6 0．3 与0 言-4)．3 -0．6 -0．9 r 口 (a) (b) 图3，=0，p=o．1的振动曲线和相轨迹 由图3(a)可以看出，由于阻尼的存在，能量耗 散，复摆的振幅越来越小，直到停止在复摆的平衡 2l 位置．这种正阻尼的振荡的相图为一根内旋的螺 线(见图3(b))，曲线不再闭合，随着振幅逐渐减 小，速度越来越慢，直至停摆．无论初始的位置如 何，复摆最终都会趋向螺旋线的中心．相图上螺线 的中心为阻尼复摆运动的吸引点，称为吸引子．由 于中心点是不动点，所以又称不动点吸引子或者 定常吸引子． (3)受迫振动 当复摆受一周期性驱动力作用时，随着驱动 力幅度的变化，复摆的运动情况也将变得非常复 杂．取无量纲阻尼系数口一0．3，无量纲驱动力频率 cUr一2／3，模拟结果显示，在．厂较小时，相空间的轨 线接近圆形，且正负半周比较对称，如图4(a)所 示，此时复摆仍然是稳定的单倍周期运动，即振动 周期与驱动力的周期相同．随着厂增大，相空间的 轨迹变得越来越扁且左右不对称，一端明显突出， 但仍然是单周期运动，如图4(b)所示． 1 5 1．O -0．5 蕃0 1-o．5 一1．O —I．5 2．0 1．O 暑0 毫一1．o -2．0 -3．0 图4在受迫阻尼状态复摆单周期运动的相轨迹 ／继续慢慢增大，运动更加复杂，当，增加到 1．26时，系统发生第一次倍周期分岔，复摆由一 倍周期运动进入二倍周期运动，即在驱动力的两 个周期内运动才恢复原状，如此周而复始地运动 下去，如图5(a)和(b)所示．如果驱动力的振动周 0 (d) 图5倍周期分岔时的振动曲线和相轨迹 万方数据 物理与T程V01．19 No．52009 期用TF表示，则此时复摆的运动周期为2n，此 时相空间的运动轨迹为环绕两圈后才闭合的圆 环．在厂一1-265时，再次发生倍周期分岔，二周期 运动进入四倍周期运动，见图5(c)和(d)，复摆运 动每隔4个驱动周期重复一次，相轨迹在二维环 面上转4圈后闭合．由此可见，随着驱动幅度的增 加，复摆运动出现倍周期分岔现象，由1丁，一2T， 一4TF，相空间的环面由1环分岔到2环，2环再 分岔到4环． 如果进一步增加驱动幅度，在，=1．275时， 系统出现三倍周期运动，如图6所示．根据“一 Yorke定理和Li-Yorke的混沌定义可知，如果系 统存在周期三的解，那么该系统就一定存在周期 为任何正整数的周期解，则一定会出现混沌，亦即 “周期三意味着混沌”．我们模拟发现，周期三过 后，当厂大于1．285时，复摆逐渐脱离周期运动， 其运动也不再是纯粹的振动，而是开始出现了小 幅转动，相空间的轨线在特定的区域无规则地绕 来绕去，开始出现混沌运动的趋势．当驱动幅度增 加到1．30时，系统对初始条件非常敏感，完全进 入混沌运动状态，如图7(a)所示，由它的运动曲线 可以清楚地看出，此时复摆已不是在平衡位置附 近的周期振动，而是一会儿做振动，一会儿做转 动，而且振动和转动的时间、地点、次数是完全不 确定的，具有随机性．此时的相轨迹在某一位置缠 绕多圈后又转入到另一处缠绕，轨线不再封闭．为 了说明对初值的高度敏感性，图7(b)中给出了初 始相位改变了0．01时的运动曲线和相轨迹，与 图7(a)比较出现了巨大的差异，这种“差之毫厘， 失之千里”的现象是混沌的显著特征，被称作“蝴 蝶效应”．这种“貌似无规”的混沌运动实际是确定 性系统中内在的随机行为，它反映了某种内在的 结构特征． 200220240260280300 f (a) 图6三周期态振动曲线和相轨迹 图7混沌运动曲线和相轨迹 随着厂的继续增加，系统又恢复到简单的运 动状态，但此时的运动不再是往复摆动，而是规则 的单向旋转，如图8所示．当．厂增大到1．66时，出 现了貌似无规的旋转运动，见图9(a)中的曲线1， 其相应的相空间轨线显示在图9(b)中．它对初值 非常敏感，当初始相位改变0．01时，表现出截然 不同的结果，见图9(a)中的曲线2，这样的现象说 明，系统此时又进入混沌运动．不过，与图7中的 混沌轨迹明显不同，它的相空间轨迹是由旋转轨 线来回缠绕而成的． -260 -270 -280 -290 ∞-300 —310 -320 -330 -340 】00120140160180200 f 0 (a) (b) 图8转动曲线和相轨迹 图9旋转混沌运动曲线和相轨迹 我们的模拟还发现，如果继续增加，，系统还 会出现周期运动状态(单周期或多倍周期)，即混 沌运动和周期运动可以交替出现． 万方数据 物理与丁程 V01．19No．52009 4结束语 综上所述，对于复摆系统，除了我们熟悉的简 谐振动、阻尼振动，当有周期性驱动力作用时，还 存在复杂的运动形式．如果保持其他条件不变，随 着驱动幅度增加，复摆可以由稳定的周期运动通 过倍周期分岔进入混沌状态，可以由混沌过渡到 单方向的旋转，还可以由旋转再进入混沌运动．在 复摆实验中，如果让学生在观测复摆线性运动的 同时，还能通过理论分析和计算机模拟观察复摆 的非线性运动及混沌现象，这不仅可以使实验内 容现代化，还可以有效地培养学生的科研能力． 参考 文 献 [1]赵凯华．从单摆到混沌[J]．现代物理知识。1993。5(5)：25 ～28 [2]符五九，饶黄云．单摆系统通向混沌的道路[J]．大学物理， 2008，27(1)：5～10 [3]李文胜．复摆运动中的混沌现象及其计算机模拟[J]．物理 与工程，2001．11(1)：26～31 [4]余虹．大学物理实验[M]．北京：科学出版杜，2007．152 ～】6】 征登广告 爨本刊承办刊登关于教学仪器、高新技术产品和新书出版等广告，欢迎有关 曩公司、厂家及各界人士与我刊联系，商洽广告业务，我们一定信守，并 囊以优惠价格收取费用·联系办法详见封四· 万方数据 复摆运动状态的研究 作者： 曲光伟， 王艳辉， 邹德滨， 张天洋， Qu Guangwei， Wang Yanhui， Zou Debin， Zhang Tianyang 作者单位： 大连理工大学物理与光电工程学院,辽宁,大连,116023 刊名： 物理与工程 英文刊名： PHYSICS AND ENGINEERING 年，卷(期)： 2009，19(5) 被引用次数： 0次 参考文献(4条) 1.赵凯华 从单摆到混沌 1993(05) 2.符五九.饶黄云 单摆系统通向混沌的道路 2008(01) 3.李文胜 复摆运动中的混沌现象及其计算机模拟 2001(11) 4.余虹 大学物理实验 2007 相似文献(2条) 1.期刊 李万祥.何玮.唐恭佩.Li Wanxiang.He Wei.Tang Gongpei 一类复摆系统的非线性动力学研究 -华中科 技大学学报（自然科学版）2007,35(5) 通过对一类复摆系统的建模,利用数值分析法,较为全面地论证了复摆系统通向混沌的倍周期道路、拟周期道路等复杂的混沌演化行为.用相图、庞加 莱映射图和分岔图等方式揭示出了系统混沌运动的形式和参数.对该系统分岔与混沌行为的研究,为工程实际中相关机械系统和振动系统的混沌预测和控 制具有指导意义,同时对这些系统的优化设计提供了理论依据. 2.期刊论文 孙红章.汤正新.刘哲.苏向英.刘磊.刘钢 复摆强迫振动中的混沌研究 -商丘师范学院学报2010,26(3) 对复摆模型的强迫振动方程进行数值求解,显示出复摆运动在外驱动力作用下由倍周期分岔走向混沌,验证了其混沌解的"蝴蝶效应",并得到了复摆作 混沌运动的几个奇怪吸引子. 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_wlygc200905008.aspx 授权使用：洛阳工学院（河南科技大学）(wflskd)，授权号：7f95c1ff-e60b-4a62-bdbc-9e5100df0bca 下载时间：2010年12月19日