Является ли движение действительно хаотическим?

Идеальный консервативный пружинный маятник не является хаотическим в строгом смысле, но траектории могут быть чрезвычайно чувствительны к начальным условиям и выглядеть нерегулярными. Добавление слабого демпфирования стабилизирует долгосрочное поведение; при очень малом демпфировании любой дискретный интегратор может показывать медленный дрейф энергии.

Пружинный маятник

Эта симуляция моделирует плоский пружинный маятник: материальная точка, соединённая с неподвижной точкой подвеса пружиной Гука с длиной в недеформированном состоянии L₀. Сила тяжести действует по вертикали; в декартовой системе координат с осью y, направленной вниз, сила упругости пропорциональна удлинению и направлена вдоль линии к точке подвеса. Модель сочетает маятниковое качание и радиальные колебания — энергия может переходить между гравитационной потенциальной, упругой потенциальной и кинетической энергией сложным образом.

Для кого: Введение в механику и связанные колебания; основа для изучения нормальных мод и сечений Пуанкаре в продвинутых курсах.

Ключевые понятия

Закон Гука
упругий маятник
связанные степени свободы
траектории типа фигур Лиссажу
чувствительная зависимость от начальных условий

Графики

Масса m1.2 kg

Жёсткость k28 N/m

Длина покоя L₀0.85 m

g9.81 m/s²

Демпфирование c0.04 N·s/m

Начальный θ (от вертикали)18 °

Начальный r1.05 m

Начальный θ̇ (качание)0.35 rad/s

Начальный ṙ0 m/s

Показывать след траектории

θ отсчитывается от направления вниз по вертикали; x = r sin θ, y = r cos θ. Обмен энергией между качанием и растяжением пружины даёт траектории вроде Лиссажу; часть начальных данных выглядит хаотично.

Горячие клавиши

Пробел или Enter — старт
R — стоп

Измеренные величины

КЭ0.000 J

ПЭ0.000 J

E полная0.000 J

Вертикальное равновесие r1.270 m

√(k/m) (радиальный масштаб)4.830 rad/s

Как это работает

Точечная масса подвешена к неподвижной точке крепления на невесомой пружине Гука в вертикальной плоскости.

Основные формулы

mẍ = −k(r − L₀)x/r − cẋ, mÿ = −k(r − L₀)y/r + mg − cẏ, r = √(x² + y²)

U = ½k(r − L₀)² − mgy (y вниз от крепления); «хаос» чувствителен к НУ, не к шуму интегратора.

Часто задаваемые вопросы

Является ли движение действительно хаотическим?: Идеальный консервативный пружинный маятник не является хаотическим в строгом смысле, но траектории могут быть чрезвычайно чувствительны к начальным условиям и выглядеть нерегулярными. Добавление слабого демпфирования стабилизирует долгосрочное поведение; при очень малом демпфировании любой дискретный интегратор может показывать медленный дрейф энергии.

Другие симуляторы в этой категории — или все 85.

Вся категория →

НовоеШкольные

Резонанс моста (одномерная мода)

Демпфированный модальный осциллятор с гармоническим возбуждением: изменение ω вблизи √(k/m) — предустановки для пиков, подобных ритму шагов, и для случая малого ζ.

Запустить симулятор

НовоеШкольные