基于Tracker的方位径向摆影响因素实验研究

为探究方位径向摆运动的影响因素,使用影像追踪软件Tracker分析径向摆运动轨迹,控制多个变量,得到不同条件下摆球运动图像,计算得到转化时间.通过分析图像,发现方位径向摆的运动受到方位角的大小、弹性杆直径、弹性杆长度、径向摆摆长等多因素影响.     

用方位径向摆演示李萨如图形的研究

通过对方位径向摆的弹性杆和摆球的固有振动频率进行分析,利用相机曝光方法研究了摆球李萨如图形.分析了摆线长度、初始释放角度、摆球质量等因素对摆球运行轨迹的影响,理论和实验符合较好.     

弹簧车摆的动力学模拟研究

弹簧牵引下的车摆模型是一个复杂的不可积非线性动力学体系,采用牛顿力学定律建立了车摆模型的动力学方程,运用Matlab软件进行计算机数值模拟并详细讨论了车摆模型中小球和车随时间动力学演化过程和运动特征。研究发现摆球的运动在多数情况下是混沌的,同时也会出现拟周期运动,并在一定范围内出现混沌和拟周期运动并存且交替变化的阵发性混沌运动现象。直观描绘出摆球运动中轨迹图、相图、时域图对下落角度初始值的极端敏感依赖性。通过数值模拟处理不可积系统得到的计算结果为车摆相关模型的物理教学和研究提供参考依据。     

弹性支撑杆下变悬点单摆运动的研究

为研究支撑杆为弹性杆时单摆的轴向振荡和切向振荡相互转化这一现象,本文提出基于保守系拉格朗日方程的理论与实验探究方法.分析摆球在不同初始释放角,不同摆线长度以及不同杨氏模量的支撑杆的条件下,在两个垂直方向上振荡的转化时间,以及摆球轨迹和分位移的改变情况.理论与实验结果表明初始释放角越大,转化时间越短;摆长越短,转化时间越短;支撑杆杨氏模量越小,转化时间越短.实验数据与理论结果吻合良好,从理论上很好地解释了实验现象.     

非弹性蹦球的动力学研究

对有空气阻尼的非弹性蹦球的动力学行为进行了数值模拟,通过改变控制参数V₀,蹦球的运动表现出倍周期分岔、混沌等非线性现象,采用0-1检测法和最大Lyapunov指数证实了这种现象.     

提高弹性碰撞实验的演示效果

两球的弹性碰撞实验能否成功演示,关键是看两球能否发生正碰。如稍有偏离就不能演示出理想的现象。我们改进了几次,以用二线斜拉摆球的效果较好。 1.将摆线对折后,对折端穿入钢球A并打结。两线头分别从金属杆两穿线孔中穿过。同样方法,装好B球,调节A、B球摆线,使之长度、夹角相等后,用塑料套管周定。 2.用铁夹(在铁夹口放两块厚约1厘米的泡沫塑料作垫片)夹住挂有摆球的两金属杆。调节两杆间平行距离后再夹紧。整个实验装置如图所示。 3.演示时,拉开A球并保持A球的两摆线绷直,然后自然放开A球。用两线斜拉吊挂摆球法,基本上满足了演示本实验的要求。从受力分析上看,两斜线拉力产生的效果与一线吊挂相同。而从提供两球发生正碰的条     

E-measure混沌摆的数学解析与运动方程

首先阐述了混沌摆的科学描述;其次对混沌摆进行了数学解析,分析了瞬衰解和稳态解的作用;然后构建了混沌摆的运动方程。得到了E-measure混沌摆实验必须满足的两个前提条件;加深了对混沌现象的深入了解。     

弹簧摆内共振现象的实验研究

用视频摄像和计算机技术从实验上研究了弹簧摆的内共振现象。从系统的势能出发，讨论了弹簧摆的运动规律。通过实时记录摆球的位置，得了不同初始条件下，弹簧摆振动的位移曲线、能量曲线和摆球运动的轨迹。实验结果展示了理论与实验的一致性。     

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.     

耦合摆微振动实验的Matlab仿真

从耦合摆实验的力学原理出发,使用Matlab软件对其中两摆球的微振动进行了仿真研究。通过改变两摆球的初始角位置和摆的耦合度,观察到了耦合摆系统可以出现简谐振动、拍振动以及无序振动等现象,并解释了其产生的物理原因。     

基于RLC谐振电路研究非接触弹性摆受迫振动的运动特性

实验通过电磁激振方式驱动弹性摆作受迫振动,并巧妙利用RLC谐振电路中电容值在适当频率范围内的微小变化会导致电阻R上产生较大压降变化这一现象,把弹性摆与电容特性联系起来,间接得到电压变化与弹性摆运动变化的关系,进而实现通过改变激振频率来研究摆受迫振动的幅频特性与相频特性的研究目的.     

外周期力驱动的倒摆混沌运动演示仪

设计并制作了受周期外力驱动的倒摆演示实验装置．利用自主开发的软件可自动演示和记录摆球运动状态的时间序列并存储实验数据．通过改变摆长、驱动电压，观察到该系统存在通过倍周期分岔通向混沌的过程．     

轻重物体系绕杆运动的循环摆现象研究

理论分析建立了描述轻重物体系绕杆运动的循环摆运动方程,通过Matlab模拟了质量比、释放角度、绳长、摩察系数和杆半径对循环摆运动的影响.为了验证数值模拟的结果,使用高速摄像机记录循环摆的运动过程,再用Tracker软件进行打点分析.实验结果表明:轻重物体质量比小于0.27～0.43,释放角度大于68°～90°,轻物体能够绕杆运动,并可以阻止重物体下落.     

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.     

球面摆的运动方程、数值模拟和实验验证

讨论了球面摆的运动方程,分析了摆球运动的周期性.通过数值模拟和实验证实了摆球在eθ方向的运动具有周期性.     

利用非线性动力学系统研究混沌现象

以相图和庞加莱点作为表征手段,本文对受外力驱动的一种非线性动力学系统混沌摆的摆动行为进行研究,考察了该混沌摆系统的运动状态随驱动力频率变化的特征。同时我们建立了该系统的理论模型,通过数值计算模拟该混沌摆运动状态来验证实验结果。实验和仿真结果均表明,随着驱动力频率的增加,混沌摆会有周期和混沌运动状态交替出现的情况,且这种变化近乎为突变的。同时,也从数值仿真结果中观察到了混沌摆运动状态对驱动力频率这一参数的敏感性。本文阐述的仿真和测量研究可以作为本科生的大学物理实验课程中混沌摆实验项目的拓展内容,使有兴趣和能力的同学对非线性动力学系统的混沌现象有更深入的理解和认识。     

秋千参数自激振动的数学模型与数值模拟

将秋千视为变长度单摆,基于归一化高斯函数构造了摆球相对摆杆的速度表达式.在此基础上建立了秋千的非线性动力学微分方程,并据此数学模型对秋千运动进行了数值模拟,得到了秋千的运动规律和功能转化的机制.     

空气阻力对完全非弹性蹦球动力学行为的影响

一个在振动台面上蹦跳的小球具有复杂的运动形式，如倍周期分岔和混沌．如果球与台面间的碰撞是完全非弹性的，则球的运动是倍周期的，不存在混沌．在分岔相图中，鞍一结不稳定性引入“平台”结构，同时存在倍周期轨道的密集区．这里将研究空气的黏滞阻力对完全非弹性蹦球动力学行为的影响．分析表明，空气阻力很弱时，分岔序列不受影响，但分岔点的数值变大，“平台”和密集区加宽．空气阻力较大时，“平台”与密集区重叠．重叠区内原有产生倍周期运动的机理被破坏，球的运动是混沌的．     

基于高斯原理的Cosserat弹性杆动力学模型

在动力学普遍原理中, 高斯最小拘束原理的特点是可通过寻求函数极值的变分方法直接得出运动规律, 而无须建立动力学微分方程. Kirchhoff动力学比拟方法以刚性截面的姿态表述弹性细杆的几何形态, 并发展为以弧坐标s和时间t为自变量的弹性杆分析力学. 由于截面姿态的局部微小改变沿弧坐标的积累不受限制, Kirchhoff模型适合描述弹性杆的超大变形. Cosserat弹性杆模型考虑了Kirchhoff模型忽略的截面剪切变形、中心线伸缩变形和分布力等因素, 是更符合实际弹性杆的动力学模型. 建立了基于高斯原理的Cosserat弹性杆的分析力学模型, 导出拘束函数的普遍形式, 以平面运动为例进行讨论. 关于弹性杆空间不可自相侵占的特殊问题, 给出相应的约束条件对可能运动施加限制, 以避免自相侵占情况发生.     

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。