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双摆:微小初始差异如何放大

打开双摆实验。画面叠放了两组双摆:实线与虚线的初始上摆角只差 0.0010.001 弧度。先让它们运行一会儿,再暂停比较末端轨迹;初态接近,后来的路径却可能明显分开。

怎么玩

调整初始角度会重新开始实验。也可以拖动摆球,改变构型后松手;这会清零角速度、清除旧轨迹,并重新建立两组相差 0.0010.001 弧度的初态。暂停后点“单步”可逐次观察运动。

键盘操作时,先聚焦画布,用方向键移动方框,再按 Enter 或空格在该位置设置摆角。重置恢复默认角度 125125^\circ;下摆初始角比上摆多 0.30.3 弧度。

模型与积分

运动方程取自 myPhysicsLab 的双摆推导,本站取两摆质量相等、杆长均为 1、杆无质量且刚性,重力加速度为 9.819.81。状态包含两个相对竖直向下的角度及其角速度。

纯计算模块用四阶 Runge–Kutta(RK4)推进状态,内部步长为 1/2401/240;每个仿真更新执行四个子步,即推进 1/601/60 个模型时间单位。两组状态使用相同算法,差别来自初态,而不是随机扰动。

读懂轨迹

Canvas 2D 绘制摆杆、摆球和最近 700 个末端位置。轨迹逐渐消失是长度限制,不代表摆球停在此前的位置。改变初态会清空历史,避免把不同实验条件的轨迹混在一起。

在这一无阻尼模型中,能量应保持不变。实现提供能量计算函数,测试用它检查积分漂移;数值方法仍有误差,不能把长期轨迹当作精确预测。微小差异也不一定立即放大,观察结果取决于初态和运行时长。可与 Rössler 吸引子 对照,比较两种连续动力系统的轨迹。

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