動力系統與混沌 · 雙擺分形

雙擺分形

雙擺分形是一張起點圖:每一點是從兩個角度靜止釋放的雙擺,顏色代表任一根臂第一次越過最高點的時刻。平滑寬帶的旁邊是細密的細絲,在那裡,起點的微小差異會使翻轉時刻相差很遠。

本頁視覺化中的雙擺分形

雙擺分形是一張起點圖。每一點代表一個雙擺:上臂θ1\theta_1與下臂θ2\theta_2相對於鉛直向下方向的角度,就是這一點的兩個座標。從這裡靜止釋放後,顏色表示任一根臂第一次越過最高點的時刻。亮點較早翻轉,暗點較晚,或直到t=60t = 60仍未翻轉。這是一種首達時間圖,與曼德博集合依逃逸時間著色是同一類。在這裡,可以觀看圖像顯影、並排比較相鄰的兩個起點,也可以放大觀察。

模型是兩個質量相同的質點,接在兩根等長、無質量的硬桿上,沒有摩擦。取m=l=g=1m = l = g = 1,時間單位就是l/g\sqrt{l/g}。

中央的透鏡永遠不會亮起,等得更久也沒有用。靜止釋放時,能量全部是位能,以靜止下垂的狀態為基準,

E=3−2cos⁡θ1−cos⁡θ2,E = 3 - 2\cos\theta_1 - \cos\theta_2 ,

而且運動時保持不變。下臂指向正上方時位能至少為2,上臂朝上時至少為4。因此只要E≤2E \le 2,也就是2cos⁡θ1+cos⁡θ2≥12\cos\theta_1 + \cos\theta_2 \ge 1,任一根臂都不可能越過最高點。透鏡內的淡線連結能量相同的起點,從中央附近的E=0.25E = 0.25,一圈圈延伸到邊界的E=2E = 2,顯示這些擺距離越過最高點還差多少能量。不過,能量足夠不代表一定會翻轉:緊鄰透鏡外側的許多起點,到t=60t = 60仍未翻轉。

平滑寬帶旁邊出現細絲,原因在於翻轉前的運動。寬帶內,下臂在第一次或第二次大幅擺動時就越過最高點。此前的運動短而規律,相近的起點一直保持接近,一起翻轉。兩條這樣的寬帶之間,邊界是剛好能碰到最高點的起點:一側這次就越過去,另一側則落回來,再擺一次才越過去。細絲內的擺在翻轉前已經不規則地擺動很久,細微差異迅速放大,起點的一點差別便決定了哪一次擺動終於能將一根臂帶過最高點。

放大一根細絲,看到的並不是同一個圖案再次出現,而是更多、更細、幾乎平行的帶,一層接一層。兩條早翻轉寬帶之間的邊界,放大後仍是一條清楚的線。本頁在一萬倍停止。超過這裡,晚翻轉的格子有越來越多會隨計算方法改變,畫面便不再只呈現擺本身。

值得注意

  • 顏色表示時刻,不是混沌程度:較早翻轉的擺,之後也可能劇烈而不規則地擺動。
  • 不會亮起的地方有兩種:透鏡內能量不足,永遠無法翻轉;暗色格子則只是到t=60t = 60仍未翻轉。
  • 每一格依照從格子中心釋放的擺著色。

操作

  • 圖形取得焦點時,方向鍵可將起點移動一格(按住Shift則移動十格);+與−用來放大、縮小。
  • 放大後拖曳即可平移;滑鼠滾輪或雙指可縮放。

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