Добавил:
tg: @Yr66gi4 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

экзамен / Билеты по синергетике

.pdf
Скачиваний:
0
Добавлен:
08.01.2026
Размер:
13.78 Mб
Скачать

космологии - возникновение спиральных галактик; в экологии - организация различных сообществ, например, скоплений бактерий и амеб.

Многие из этих явлений синергетики будут разбираться в нашем курсе.

Список к книг по синергетике можно найти в на сайте http://scintific.narod.ru/nlib/#Books

Сайты по синергетике в интернете

https://youtu.be/3T0T0_0zHNc

https://www.youtube.com/watch?v=NlQAANk1Jc8 Хаос. Странные аттракторы 13:21 https://www.youtube.com/watch?v=yWoudWZq_G4 Аттрактор Лоренца

57

2.3. Нелинейный маятник

Математический представляет собой материальную точку массы m , находящуюся на конце бесконечно тонкой металлической спицы длиной l , колеблющуюся в поле тяжести. Математический маятник представлен на рис. NMR_1. Целью этого параграфа будет нахождение зависимости от времени t угла отклонения t .

Рис. NMR_1. Математический маятник, колеблющийся в поле тяжести. Сила тяжести Fg mg , связанная с ускорением свободного падения g , направлена вниз.

Начальными условиями колебания математического маятника, мы будем считать следующие условия. В начальный момент времени 0 0 , где 0 − начальный угол отклонения. Начальная скорость маятника, выражающаяся через производную 0 , равна нулю 0 0. При

решении этой задачи мы рассмотрим случай больших начальных углов отклонений 0 1. Таким образом, начальные условия имеют вид

 

 

 

0 0

.

 

(NMP.1)

 

 

 

0 0

 

 

 

 

 

 

 

Переходя

к

цилиндрической

системе

координат X l sin , Y l cos ,

находим

скорости

X Vx

l cos ;

Y l sin . Квадрат

скорости

V 2 Vx2 Vy2

l2 2 .

Кинетическая энергия колеблющегося

маятника

 

 

 

 

 

58

 

 

K

ml2 2

.

Потенциальная

энергия U

в

однородном

поле тяжести

 

2

 

 

 

 

 

 

 

линейным образом зависит от

координаты

Y :

U ( y) mgY . Сила тяжести

Fg связана

с потенциальной энергией

U

соотношением

Fg U

направлена вниз Fg mgeY ,

где - оператор Гамильтона,

eY

- единичный

орт, направленный вверх, вдоль оси Y . В цилиндрической системе координат

U mgl cos . Силы трения в данной задаче не учитываются, поэтому

полная энергия E K U математического маятника, представляющая собой сумму кинетической и потенциальной энергии сохраняется E const . В теоретической механике доказывается утверждение о том, что если потенциальное поле U не зависит от времени, то в таком потенциальном поле полная энергия системы сохраняется. Для иллюстрации этого

предположим, что

потенциальная

энергия

U x

зависит от одной

пространственной переменной U (x) .

В таком

случае

запишем уравнения

Ньютона для массы

m , на который действует сила

F x

mx F x dU x dx

Умножая это равенство на x , получаем mxx x dUdx . Учтем, что

dx dU

 

dU

. Следовательно

 

 

 

 

dt dx

dt

 

 

 

 

m

d x2

 

 

dU

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dt 2

 

 

dt

 

 

 

 

 

Интегрируя эту величину по времени

 

получаем, что сумма кинетической и

потенциальной

энергии не изменяется

во

времени

 

mx2

U x E .

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Применяя этот закон

к математическому маятнику, в котором отсутствует

трение, учтем что энергия математического маятника

E также

является

постоянной в

любой

момент времени.

В

начальный

момент

времени

0 0, поэтому кинетическая энергия маятника в начальный момент

времени равна нулю. Следовательно в начальный момент времени t 0 энергия E равняется потенциальной энергией математического маятника в

59

начальный момент времени E mgl cos 0 . Условие сохранения энергии E в произвольный момент времени t имеет вид

 

ml2 2

 

 

 

mgl cos mgl cos 0 .

(NMP.2)

2

 

 

Используя формулу для половинного угла, имеем

 

 

 

 

 

cos cos

2

 

sin

2

 

 

sin

2

 

.

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

2

 

Вместо времени t введем безразмерное время

 

с помощью линейного

преобразования

 

t

, где величина t0

имеет размерность времени. В таком

 

t0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d 2

 

1 d 2

. Выберем характерное время t0 из соотношения

случае

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

dt

 

t0

d

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t

 

l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(NMR.3)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

g

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

При таком переходе от времени (NMR.3) примет вид

d 2d

t к безразмерному времени соотношение

4

 

2

0

 

sin

2

 

 

sin

 

 

2

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

2

На рис. NMR_1 видно, что в начальный момент времени 0 0 угол

t достигает своего максимального значения. В последующие моменты

времени угол t будет

уменьшаться,

поэтому

 

 

d

0

вблизи точки

 

 

dt

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t 0. Следовательно на таких временах

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d

2 sin

2

0

 

sin

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

(NMR.4)

 

d

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

2

 

 

 

Интегрируя соотношение (NMR.4) получаем

60

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

d

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(NMR.5)

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin

2

0

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

sin

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Для вычисления интеграла (NMR.5) сделаем замену переменной

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

sin .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(NMR.6)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В таком случае угол 2arcsin sin 0

/ 2 sin . Заметим, что при

0

величина

 

(NMR.6).

 

Переходя

к

 

 

новой переменной

,

получаем

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2sin

 

cos d

 

 

 

0

 

2 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

sin

 

 

sin

 

 

 

 

sin

 

 

sin

 

cos ,

 

d

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 sin

2

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

sin

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

Следовательно,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

(NMR.7)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

sin

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

0

sin

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Для удобства расчетов введем параметр

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k

2

sin

2

0

 

,

 

 

 

 

 

(NMR.8)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

связанный с начальным углом отклонения интеграл I рода F ,k

 

 

 

dx

 

 

 

 

F ,k

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 k

2

sin

2

x

0

 

 

 

 

0 , и определим эллиптический

(NMR.9)

Параметр

k 1 , причем

для малых

углов 0 1 , величина

k 1. Для

больших

углов

 

, величина

k стремится к единице k 1. Вводя

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

61

 

такие обозначения, и, учитывая соотношения между интегралами

2

2

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d

d

d ,

 

получаем выражение,

которое при

заданном

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

значении

позволяет найти

значение , то есть найти функцию

 

 

 

 

F

 

 

 

 

 

(NMR.10)

 

 

 

 

2

;k F ,k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В обычных обозначениях мы нашли решение для

определения

колебаний

математического

маятника

(NMR.10) в виде обратной функции

t t . В

реальной ситуации нам нужно найти прямую функцию, которая бы

позволила нам найти зависимость угла отклонения маятника от времени

t .

Ответим на вопрос, как выглядит период колебаний математического маятника, если не предполагать, что углы отклонения малы 1. Период колебаний T математического маятника равен учетверенному времени

прохождения маятника от угла 0 ( 2 , (NMR.6)) до угла, равного нулю

0 ( 0 , (NMR.6)). В обычных единица времени период T колебаний математического маятника равен

T 4

l

 

K (k ) .

 

 

 

 

 

 

(NMR.11)

g

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В выражении (NMR.11) мы ввели понятие K k

полного эллиптического

интеграла I рода

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

dx

 

 

 

 

 

K k

 

 

 

 

 

.

(NMR.12)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 k

2

sin

2

 

 

0

 

 

 

x

 

Используя таблицу интегралов Двайта выпишем асимптотику полного эллиптического интеграла

62

 

 

 

 

1

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

k

 

...

;

 

 

k 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

K (k )

 

4

 

 

k

2

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ln

 

 

 

 

 

 

ln

 

 

 

1 ...;

k 1

k

 

;

 

k 1;

k 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k

 

 

 

4

k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Если углы отклонения малы (NMR.8), то параметр k

2

sin

2

0

 

 

02

 

 

 

 

 

 

 

. Для

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

4

 

таких малых начальных

углов

отклонения маятника 0 1 период

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

l

 

 

 

колебаний T 2

 

 

1

 

0

...

незначительно возрастает по сравнению с

 

 

 

 

g

 

16

 

 

известной формулой для периода колебаний маятника при малых углах

отклонения

T 2

l

. Формула для T

известна нам из школьного курса

 

 

0

g

0

 

 

 

 

 

 

 

 

физики. При больших углах отклонения

( k 1, (NMR.8)) период

 

 

 

 

0

2

 

 

 

 

 

 

 

колебаний T может значительно отличаться от периода T0 .

Проверим полученное нами решение (NMR.5) в случае малых углов отклонения маятника. В этом случае, разложим подынтегральную функцию в ряд и ограничимся слагаемыми, имеющими второй порядок малости

 

 

0

 

 

02

 

 

 

 

 

2

 

d

 

 

 

sin

2

 

; sin

2

 

. В таком случае

 

 

 

. Сделаем

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

2

 

 

2

 

 

4

 

 

 

2

 

4

0

0

 

 

 

 

замену переменной интегрирования

0 sin u . При такой замене

 

 

 

 

 

 

 

 

переменных: u

 

при

0 , u arcsin

 

 

для текущего значения угла

2

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

. В результате

интегрирования получаем ответ: arcsin

 

 

 

 

.

0

2

 

 

 

 

 

Решение о колебаниях математического маятника при малых углах отклонения имеет вид

t 0 cos 0 cos 2 f0t .

(NMR.13)

В выражении (NMR.13) величина f0 , имеющая

размерность частоты,

измеряемой в Герцах, равна

 

63

 

f0

1

 

1

 

g

.

(NMR.14)

 

2

 

 

T0

 

l

 

Зависимости угловой координаты

 

 

t

 

приведены в книге

 

 

0

 

 

 

 

«Нелинейные колебания» А.П.Кузнецов, С.П.Кузнецов, Н.М.Рыскин, Москва, Ленард, 2020. Анализ такого графика действительно показывает, что период колебаний маятника при больших начальных углах отклонения приводит к том, что период колебаний становится больше. В таком случае колебание представляет собой суперпозицию многих гармоник, каждая из которых имеет собственную частоту (рис. 1_5_3).

В этой же книге приведен и спектр частот математического маятника при условии больших начальных отклонений 0 1 от положения равновесия. Такой спектр показывает, что при больших начальных отклонениях 0 1 форма колебаний значительно изменяется. Такая форма колебаний в значительной степени будет отличаться от простейшего закона колебаний 0 cos , справедливого лишь при малых углах отклонения 0 1.

64

Рис. NMR_2. Зависимость угловой координаты маятника

t

от

 

 

0

безразмерного времени . Угловая координата маятника нормирована на

максимальное значение 0 0 . Безразмерное время

t / t0 .

Характерное время t0 определено соотношением (NMR.3).

 

На рис. NMR_2 приведены три графика. Первый верхний график (a)

соответствует значению

0

1.

Для второго графика (б) значение 0

2 .

Для нижнего графика

0

3.

Анализ графиков показывает, что

при

увеличении начального угла отклонения происходит увеличение периода колебаний. Форма колебаний становится отличной от простейшего закона0 cos , справедливого при 1. В спектре таких ангармонических

колебаний при больших углах отклонения 1 колебаний появляются высшие гармоники.

65

Рис. NMR_3. Спектр Фурье колебаний маятника в логарифмическом масштабе в зависимости от круговой частоты 2 f .

Заметим, что по оси ординат использован логарифмический масштаб и амплитуды гармоник A даны в децибелах. Цифрами обозначены номера гармоник, причем в спектре колебаний присутствуют только нечетные

гармоники, которые обозначены цифрами 1,3,5,7…..

Из

графика видно,

что

для

«ангармонического

маятника» характерная основная частота

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

колебаний

f

f

 

уменьшается

по сравнению с f

 

 

1

 

1

 

 

g

 

. Это

0

0

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

T0

 

2

 

 

l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

означает, что основной период T1

колебаний увеличивается по сравнению с

T0 .

Кроме того,

в спектре

колебаний появляются

 

высшие

гармоники

{ f3; f5; f7 ;.....}

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

66