浅说"混沌"

以单摆的强迫阻尼运动、罗伦兹系统及Ｌｏｇｉｓｔｉｃ映射为例,解说了混沌运动地主要特征,并介绍了混沌理论建立与与发展过程中的一些史话。     

单摆的规则、随机及混沌运动的研究

介绍了单摆运动的计算机辅助教学，给出了单摆在相空间中的规则，随机及混沌运动相轨图，并讨论了扰动强度和频率作用。     

由确定论到混沌的计算机数值模拟

一、引言 混沌是非线性系统在远离平衡状态下,由于运动轨迹高度不稳定经多次分岔达到的一种运动状态,是一种有统计规律的序．哈肯曾指出：“混沌性来源于决定论性方程的无规则运动．”那么确定论系统又是如何产生混沌的呢？由自然界中广泛存在的混沌现象,我们可以知道系统产生混沌归咎于非线性条件．单摆是物理学中的一个简单模型,是确定论的典型例子,但在有阻尼的情况下,受周期性驱动力作用之后,其运动规律就将发生变化,出现周期的分岔,在一定大小的驱动力条件下出现混沌行为．为了将这一由确定论走向混沌的全过程完整地演示出来…     

脉冲式棘齿势场作用下囚禁离子的规则与混沌运动

考虑赝势近似下囚禁于Paul阱中的单离子与由脉冲式双激光驻波构成的棘齿势场的相互作用.应用积分方程方法得到系统的经典运动精确解，通过数值方法作出相空间轨道并计算由平均速度定义的流，结合分析与数值结果研究囚禁离子的规则与混沌运动特性.与单驻波型激光脉冲情形相比，发现两个重要的棘齿效应：一是脉冲式棘齿势场的作用导致参数空间混沌区域的改变，从而适当调节第二驻波参数，可使离子的规则运动变为混沌运动，或者混沌运动变为规则运动；二是通过分析平均流随激光参数的变化，发现棘齿势场的介入能使囚禁离子作平均意义下的单向输运，随着势场强度增加到混沌区域，流的强度明显减小并改变方向，系统进入混沌运动. 关键词： 脉冲式棘齿势 囚禁离子 混沌 输运     

有界噪声与谐和激励联合作用下Duffing-Rayleigh振子的Melnikov混沌

研究了有界噪声与谐和激励作用下的Duffing-Rayleigh振子的动力学行为.首先运用随机Melnikov过程方法得到系统出现混沌的条件,结果表明随着非线性阻尼参数的增加系统会从混沌运动到周期运动,随着Wiener过程强度参数的增加,系统由混沌进入周期的临界幅值会先递增后不变.最后,用两类数值方法即最大Lyapunov指数与Poincare截面验证了上述结果. 关键词： 有界噪声 随机Melnikov过程 混沌运动 周期运动     

单摆系统的振动研究

通过求解变张力弦振动微分方程的边值问题,给出摆线与摆球的质量比为任意值时单摆系统运动的一般解和本征频率满足的方程.利用该方程求得高精度的单摆系统周期数值解,特别是拟合出单摆系统作基频振动时一个范围大、精度高的周期近似公式.同时将理论与实验进行比较,结果二者相符.     

弯曲振动引致的过渡态的混沌

从单摆运动的特征出发 ,指出分子的过渡态 (包括解离时的态 ) ,如分子内弯曲振动引致结构变化的过渡态 ,必然伴随着混沌现象 ,而且和Chirikov的多重共振会导致混沌的观点有关 .并以从HCN、HNC和其非局域态的高激发振动态的能级拟合得到的弯曲模式的性质说明这个观点 .最后 ,提出一个处理弯曲振动引致的过渡态的混沌的物理模型 .     

磁铁在无限大薄导体板上方低速运动的磁阻尼探究

本文基于麦克斯韦涡流镜像理论,定量计算了在无限大薄导体板上方低速运动的磁铁所受阻力的表达式,其正比于运动速度、磁矩的平方和导体板厚度,并以磁铁离导体板距离的4次方关系减小.用改进单摆法构建了磁单摆-铝箔系统进行实验,控制其他变量不变,改变磁铁离铝箔的最小距离并进行多次实验,发现理论与实验符合较好.     

气轨上单摆的混沌实验

设计并自制了一个气轨上单摆的混沌演示装置,建立了系统的动力学方程,直观地显示了混沌的一些基本特征。     

大学物理教学中对大角度单摆的介绍

大学物理的教学在简谐振动部分介绍了小角度单摆,但没有介绍摆角较大时单摆的运动.利用Matlab研究了大角度的单摆运动,得到了大角度单摆的运动曲线,曲线表明,尽管摆角较大时单摆不再做简谐振动,但其运动曲线看似余弦曲线,且具有一定的周期性;文章给出了小角度单摆的相图及其与实际摆动的对比动画;对大角度单摆运动的相图进行了分析,说明在摆角较大时单摆的运动将不同于简谐振动而更加复杂.在此基础上,探讨了如何把所得结论引入到大学物理教学中,以加深和拓展学生对单摆运动的理解.     

一种非线性动力学系统混沌现象的深入研究

本文在实验教学中引入一种非线性混沌摆系统,通过调节混沌摆的驱动力周期演示了该非线性动力学系统出现混沌现象的过程,从而让学生了解混沌现象的参数敏感性、相图特点、频谱特性等基本特性.为了进一步了解该混沌摆的特性,本文建立了该非线性摆系统的简化动力学方程,在数值上对其进行了研究.基于动力学方程的数值模拟,克服了实验上相关参数定量改变困难、摆动稳定性不易控制、实验时间周期长等问题.在数值模拟中,通过改变不同参数得到了相图、频谱图以及分岔图,比较深入详细地对这种混沌摆的相关特性进行了描述,也有利于学生加深对混沌摆的理解.     

基于PASCO系统的混沌摆实验

基于PASCO系统研制了受周期外力驱动的混沌摆实验仪,调节混沌摆系统的参量可演示非线性动力学特征行为,描绘了无驱动及有驱动下的系统相位图,并分析了初值敏感性、奇异性(奇异吸引子)现象.应用混沌摆的动力学方程,进行Matlab仿真实验.实验结果表明:混沌摆实验系统动力学的性质依赖于振动频率值,系统驱动振幅必须大于一定阈值是混沌相出现的必要条件.     

An autoparametric energy harvester

This paper presents a numerical study of an autoparametric system composed of two elements: a pendulum and an excited nonlinear oscillator. Owing to an inertial coupling between the two elements, different types of motion are possible, from periodic to chaotic. This study examines a linear induction of an energy harvester depending on the pendulum motion. The harvester consists of a cylindrical permanent magnet mounted on a rotor and of four windings fixed to the housing as a stator. When the pendulum is rotating or swinging, the converter is generating energy due to magnetic induction. In this paper, a method utilizing parametrical resonance for harvesting energy from low frequency vibrations is studied. The authors compare energy induced by different types of pendulum motion: swinging, rotation and chaotic dynamics. Additionally, voltage values for different parameters of excitation are estimated.     

外力驱动的混沌摆实验仪在研究混沌效用上的应用

依据非线性动力学混沌理论,采用受外力驱动的转动马达装置,依托PASCO系统的数据采集软件,开发了适应大学物理实验的受外力驱动的混沌摆实验。探讨了新型基于外力驱动的混沌摆实验仪在研究混沌效用上的应用,实验发现利用该装置可以直观的研究系统的初值敏感性,奇异子现象等,操作简单、直观、灵敏度高,实验除了具有实际应用价值外,同时适合在高等学校大学物理基础实验中开设出相应的实验教学内容。     

Occurrence of stable periodic modes in a pendulum with cubic damping

Dynamical systems with nonlinear damping show interesting behavior in the periodic and chaotic phases. The Froude pendulum with cubical and linear damping is a paradigm for such a system. In this work the driven Froude pendulum is studied by the harmonic balancing method; the resulting nonlinear response curves are studied further for resonance and stability of symmetric oscillations with relatively low damping. The stability analysis is carried out by transforming the system of equations to the linear Mathieu equation.     

Melnikov's method applied to the double pendulum

Melnikov's method is applied to the planar double pendulum proving it to be a chaotic system. The parameter space of the double pendulum is discussed, and the integrable cases are identified. In the neighborhood of the integrable case of two uncoupled pendulums Melnikov's integral is evaluated using residue calculus. In the two limiting cases of one pendulum becoming a rotator or an oscillator, the parameter dependence of chaos, i.e. the width of the separatrix layer is analytically discussed. The results are compared with numerically computed Poincaré surfaces of section, and good agreement is found.     

Experiments on periodic and chaotic motions of a parametrically forced pendulum

An experimental study of periodic and chaotic type aperiodic motions of a parametrically harmonically excited pendulum is presented. It is shown that a characteristic route to chaos is the period-doubling cascade, which for the parametrically excited pendulum occurs with increasing driving amplitude and decreasing damping force, respectively. The coexistence of different periodic solutions as well as periodic and chaotic solutions is demonstrated and various transitions between them are studied. The pendulum is found to exhibit a transient chaotic behaviour in a wide range of driving force amplitudes. The transition from metastable chaos to sustained chaotic behaviour is investigated.     

浅说“混沌”③

4　混沌运动的特征[4]“混沌”一词有多义 ,而且在不同时期都有人使用这词 .在我国古代 ,混沌 (或浑沌 )谓之“想象中世界生成以前的状态” ,曹植《七启》中曰 :“夫太极之初 ,浑沌未分” ,《辞源》上解释为 :“天地未开辟以前之元气状态” .还用“混沌”形容“浑然一体 ,不可分割”的状态 ,在《易乾凿度》上曰 :“太易者 ,未见气也 .太初者 ,气之始也 .太终者 ,形之似也 .太素者 ,质之始也 .气似质具而未相离 ,谓之混沌” .在《庄子》三十三篇中的内篇之七叫应帝王 ,此篇末尾写 :“南海之帝为倏 .北海之帝为忽 .中央之帝为浑沌 .”可见此处…     

Instabilities in the main parametric resonance area of a mechanical system with a pendulum

Vibrations of an autoparametric system, composed of a nonlinear mechanical oscillator with an attached damped pendulum, around the principal resonance region, are investigated in this paper. Approximate analytical solutions of the model are determined on the basis of the Harmonic Balance Method (HBM). Correctness of the analytical results is verified by numerical simulations and experimental tests performed on an especially prepared experimental rig. The influence of all essential parameters such as damping, excitation amplitude and frequency, nonlinear stiffness of the spring, on the localisation of the instability region and the system dynamics is presented in the work. Regions of regular system oscillations, chaotic motions, and full rotation of the pendulum are confirmed experimentally.     

量子参数激励单摆的局域效应研究

分析了二能级原子在振幅调制主波场中动量扩散模型。这是一个量子参数激励单摆系统。这个量子系统在经典极限下表现混沌行为。在相同参数条件下,这个系统具有动力学特征。