动力系统与混沌 · 双摆分形

双摆分形

双摆分形是一张起点图:每一点是一个从这两个角度静止放手的双摆,颜色是它第一次有一节翻过顶的时刻。平滑的宽带旁边是细密的细丝,那里差一点点的起点,翻过顶的时刻相差很远。

双摆分形与本页画面

双摆分形是一张起点图。每一点是一个双摆:上臂与竖直向下的夹角θ1\theta_1、下臂的θ2\theta_2就是这一点的两个坐标,从静止放手;颜色是它第一次有一节翻过顶的时刻。亮的翻得早,暗的翻得晚,或者到t=60t = 60还没翻。这是一张首达时间图,和曼德博集合按逃逸时间上色是同一类。在这一页,你可以看这张图显影,把相邻的两个起点放在一起比较,还可以放大。

模型:两根一样长、没有重量的硬杆,挂着两个一样重的质点,没有摩擦;取m=l=g=1m = l = g = 1,时间以l/g\sqrt{l/g}计。

中间的透镜永远不会亮,多等也没有用。从静止放手时,能量全是高度,从静止下垂算起

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

而且摆动起来以后一直不变。下臂朝正上方时高度至少是2,上臂朝上时至少是4。所以只要E≤2E \le 2,也就是2cos⁡θ1+cos⁡θ2≥12\cos\theta_1 + \cos\theta_2 \ge 1,两节都永远翻不过顶。透镜里的淡线把能量相同的起点连起来,从中间附近的E=0.25E = 0.25一圈圈到边上的E=2E = 2,看得出这些摆离够到顶还差多少。不过能量够了也不保证会翻:透镜外紧挨着的许多起点,到t=60t = 60都还没翻。

平滑的宽带旁边是细丝,原因在翻过顶之前发生的事。宽带里,下臂第一次或第二次大摆就翻过顶,翻之前的运动短而规则,挨得近的起点一路靠在一起,一起翻。两条这样的宽带之间的边,是刚好够到顶的起点:一边这一次就翻过去了,另一边差一点落回来,下一次才翻。细丝里,摆在翻过顶之前已经乱摆了很久,微小的差别很快变大,起点差一点点,就决定了哪一次摆能把一节送过顶。

放大一根细丝,看到的不是同一个图案的缩小,而是更多、更细、几乎平行的带,一层接一层。两条早翻的宽带之间的边,放大以后还是一条干净的线。本页放到一万倍为止:再往里,晚翻的格子里有越来越多会随计算方法变,画面就不再只是摆本身。

值得注意

  • 颜色是时刻,不是混沌的程度:早翻的摆之后也可能摆得很乱。
  • 有两种地方不亮:透镜,那里能量不够,永远不翻;暗的格子,只是到t=60t = 60还没翻。
  • 每一格的颜色是从格子中心放手的那个摆。

操作

  • 图聚焦时,方向键把起点移动一格(Shift:十格);+和−放大缩小。
  • 放大后拖动可以平移;鼠标滚轮或双指缩放。

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