孫 進(jìn), 丁宗玲

(安徽大學(xué)物理與光電工程學(xué)院， 安徽 合肥 230039)

0 引 言

單擺是日常生活中以及工程中的常見模型，具有較為廣泛的應(yīng)用，因而一直以來都是學(xué)者們關(guān)注的對象[1-5]。在本科生大學(xué)物理教學(xué)中，為了計算的方便，一般將其簡化成簡諧振動[6]，以便學(xué)生對其運動有簡單的認(rèn)知。但實際上，單擺的運動是復(fù)雜而多變的，可能是規(guī)律運動也可能是隨機(jī)行為。只有在不考慮阻力及驅(qū)動力，且初始擺角非常小的情況下，單擺的運動才能近似歸結(jié)為簡諧振動。在更為普遍的情況下，單擺將做周期與初始擺角相關(guān)聯(lián)的周期振動甚至轉(zhuǎn)動以及出現(xiàn)混沌現(xiàn)象[7-8]。

對于單擺在不同情況下運動狀態(tài)的分析，有助于學(xué)生更加清晰的了解單擺的實際運動的變化。但由于在這一過程較為復(fù)雜，甚至?xí)霈F(xiàn)混沌的非線性變化，其運動方程很難進(jìn)行精確的解析求解。作者之前曾采用數(shù)值計算的方法求解完整的運動方程，對單擺在有阻力和無阻力情況下的實際運動進(jìn)行過比較和分析[9]。在這篇文章中，進(jìn)一步加入對于外界驅(qū)動力的考慮，利用計算機(jī)對驅(qū)動力作用下單擺的運動進(jìn)行了模擬計算。通過改變不同的參數(shù)，展示不同的驅(qū)動力對于單擺運動的不同影響，希望能夠更加清晰的展示出單擺的運動特征，幫助學(xué)生更加透徹地理解單擺的運動。

1 數(shù)值計算方法

在周期性驅(qū)動力的作用下，單擺的運動方程可以表示為：

(1)

其中m和l分別代表單擺的質(zhì)量和擺長。在方程(1)中，單擺分別受到重力，與速率成正比的空氣阻力以及角頻率為ω的周期性驅(qū)動力的作用。為了使研究結(jié)果更具普遍性，本文對方程(1)不做任何簡化，在保證精度的前提下，采用數(shù)值方法處理微分方程的初值問題，對其進(jìn)行求解。在數(shù)值計算方法中，Runge-Kutta[10]是一種公認(rèn)較為精確的方法，它可以用來求解一階常微分方程組，較為常用的是四階和六階Runge-Kutta。在之前對于單擺的研究中[9]，采用四階Runge-Kutta方法取得了較好的結(jié)果，因而這篇文章里沿用此方法解方程(1)，得到不同時間點上單擺運動的角位移θ以及角速度dθ/dt。

2 計算結(jié)果

不同的驅(qū)動力對單擺會產(chǎn)生不同的影響，改變驅(qū)動力的頻率和大小，單擺的運動將發(fā)生非常有趣的變化。

2.1 驅(qū)動力較小時單擺的受迫振動及共振

圖1 不同條件下單擺的擺角隨時間的變化

保持其它參數(shù)不變， 圖2(a)展示了單擺穩(wěn)定后振動的振幅隨驅(qū)動力的角頻率而發(fā)生的變化，振幅最大處即為共振。當(dāng)f=1N時，共振發(fā)生在ω=3.05rad/s。圖2(a)中嵌入的小圖為f=1N時單擺運動的相軌跡，黑色代表ω=2.5 rad/s而紅色代表ω=3.05 rad/s。在重力、阻力和驅(qū)動力的共同作用下，單擺最后的運動相圖都?xì)w為閉合的橢圓，也就是穩(wěn)定的周期運動，當(dāng)ω=3.05 rad/s時，橢圓的面積明顯增大很多，說明在其它條件不變的情況下，共振大大增大了體系的機(jī)械能。

圖2 單擺達(dá)到穩(wěn)定運動后振幅隨驅(qū)動力角頻率的的變化

此外，計算結(jié)果顯示共振對應(yīng)的驅(qū)動力的角頻率并不是自由單擺對應(yīng)的固有角頻率3.13 rad/s，而是發(fā)生了偏移，出現(xiàn)在ω=3.05 rad/s。對于共振頻率偏移的原因可以通過運動方程的解析解來解釋。在小擺角的情況下取sinθ≈θ，由簡化的方程(1)可以解析解得單擺達(dá)到穩(wěn)定后的振幅為：

2.2 驅(qū)動力振幅的影響

隨著驅(qū)動力的繼續(xù)增強(qiáng)，單擺的運動將不再趨于穩(wěn)定。如在γ=2.5，f=20.5 N,ω=2.5 rad/s的情況下，單擺在經(jīng)歷了短暫調(diào)整過后，并沒有達(dá)到單一頻率的振動狀態(tài)，而是在兩個不同頻率之間來回變化，即為產(chǎn)生了二倍分叉。為了能夠更加清晰的看出單擺運動的變化，我們將200s之后單擺運動的相圖展示在圖3中。由圖3(a)可見單擺的相軌跡在交叉的兩個閉合圖形上變換，對應(yīng)著在兩種穩(wěn)定的振動狀態(tài)之間不斷變換。隨著驅(qū)動力的不斷增強(qiáng)，單擺振動的頻率分叉逐漸增多，如圖3(b)-(d)所示，從二倍分叉到四倍再到八倍，最后單擺將不會出現(xiàn)穩(wěn)定的運動狀態(tài)，其相軌跡在一片區(qū)域里不重復(fù)出現(xiàn)，也就是達(dá)到了混沌這一非線性狀態(tài)。

圖3 隨著驅(qū)動力的增大，單擺運動的相軌跡的變化過程

在達(dá)到混沌狀態(tài)以后，繼續(xù)增大f，單擺的運動還會發(fā)生有趣的變化。圖4(a)為保持γ=2.5，ω=2.5，當(dāng)f=25.0 N時，單擺的擺角隨時間的變化，嵌入的小圖是此時的相軌跡?？梢娀煦绗F(xiàn)象已經(jīng)消失，單擺運動的相軌跡變成了較為復(fù)雜的閉合曲線。此時單擺又回到了周期運動，但不再是以豎直方向為振動的中心位置，而是向外力的施力方向偏移。其次，在一個運動周期中，單擺的運動也變得更加復(fù)雜，不再是單一的往返擺動，而是在不同的擺角振幅以及振動中心之間切換。繼續(xù)增大驅(qū)動力，當(dāng)f=35.0 N時，由于驅(qū)動力遠(yuǎn)大于重力及阻力，起到主導(dǎo)作用，由圖4(b)可見此時單擺恢復(fù)了穩(wěn)定的單頻周期性振動，振動的平衡位置保持在θ>0的固定位置。

圖4 當(dāng)f分別等于25N和35N時單擺運動的角位移隨時間的變化

3 總 結(jié)

本文采用四階Runge-Kutta數(shù)值計算方法求解完整的單擺運動方程，對驅(qū)動力作用下單擺的運動進(jìn)行了討論。首先，在驅(qū)動力不是很大的情況下，驅(qū)動力的作用會與單擺的擺動相協(xié)調(diào)，最后形成統(tǒng)一的穩(wěn)定振動，振動的振幅與驅(qū)動力的頻率有關(guān)。但與一般受迫振動不同的是，單擺發(fā)生共振的頻率與單擺的本征頻率相比會有所減小，驅(qū)動力越大，減小得越多。其次，增大驅(qū)動力的振幅，會使得單擺最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的頻率發(fā)生二倍、四倍、八倍分叉，然后達(dá)到非線性的混沌狀態(tài)。繼續(xù)增大驅(qū)動力，由于驅(qū)動力的作用逐漸變成主導(dǎo)，單擺的運動又會恢復(fù)到穩(wěn)定的振動。