آونگ دوگانه یک سیستم دینامیکی با دو درجه آزادی $(\theta_1, \theta_2)$ است که رفتار آشوبناک از خود نشان میدهد. معادلات حرکت از فرمولبندی لاگرانژین و با اعمال نیروهای میرایی خطی $(b_1\dot{\theta}_1, b_2\dot{\theta}_2)$ بهدست میآیند:
که $\Delta = \theta_1 - \theta_2$. دستگاه با روش کرامر برای شتابهای زاویهای حل میشود. برای اطلاعات بیشتر، دکمه «راهنما» در نوار بالا را فشار دهید.
📖 راهنمای کامل شبیهساز آونگ دوگانه
این راهنما شامل تمام فرمولها، معادلات و توضیحات لازم برای درک و استفاده از شبیهساز است.
۱. مدل فیزیکی
آونگ دوگانه از دو جرم نقطهای $m_1$ و $m_2$ تشکیل شده که توسط میلههای صلب بدون جرم به طولهای $L_1$ و $L_2$ به یکدیگر و به یک تکیهگاه متصل هستند. مختصات تعمیمیافته $\theta_1$ و $\theta_2$ زوایای میلهها نسبت به راستای قائم هستند.
برای کمیسازی آشوب، دو مسیر «سایه» با اختلافهای اولیه $\delta_1$ و $\delta_2$ در $\theta_1$ ایجاد میشود. فاصله در فضای فاز با در نظر گرفتن پیچش زاویه (wrapping) محاسبه میشود:
زمان لیاپانوف $t_\lambda = 1/\lambda$ که مقیاس زمانی پیشبینیپذیری است، بهصورت خودکار توسط شبیهساز محاسبه میشود. اگر $\lambda > 0$ باشد، سیستم آشوبناک است و $t_\lambda$ نشاندهنده افق زمانی است که پس از آن خطای اولیه به اندازه $e$ برابر بزرگ میشود. شمارنده زمان لیاپانوف در پنل کناری، نسبت زمان سپریشده به زمان لیاپانوف $t/t_\lambda$ را نمایش میدهد:
اگر $t/t_\lambda < 1$: سیستم در محدوده پیشبینیپذیری است (وضعیت سبز)
اگر $t/t_\lambda \geq 1$: سیستم فراتر از افق پیشبینیپذیری رفته است (وضعیت قرمز)
که در آن $\Theta$ تابع پله هویساید، $N$ تعداد نقاط نمونه، و $\mathbf{x}_i$ بردار حالت در فضای فاز است. برای یک جاذب فراکتالی، $D_2$ عددی غیرصحیح بین ۲ و ۳ خواهد بود.
۷. نحوه استفاده از شبیهساز
تنظیم پارامترها: مقادیر جرمها، طولها، گرانش و شرایط اولیه را در پنل کناری وارد کنید.
فعالسازی سایهها: دکمه «ایجاد مسیرهای سایه» را فشار دهید تا دو مسیر با اختلاف $\delta_1$ و $\delta_2$ ایجاد شود.
انتخاب انتگرالگیر: برای شبیهسازی دقیق RK4 یا Verlet (همتافته) را انتخاب کنید.
شروع شبیهسازی: دکمه «▶ شروع» را فشار دهید و رفتار واگرایی مسیرها را مشاهده کنید.
مشاهده نمودارها: سریهای زمانی، فضای فاز، انرژی و نمای لیاپانوف بهصورت زنده بهروزرسانی میشوند.
شمارنده زمان لیاپانوف: پس از محاسبه $\lambda$، کارت مخصوص زمان لیاپانوف نمایش داده میشود و نسبت $t/t_\lambda$ را نشان میدهد.
خروجی گزارش: با دکمه «گزارش کامل HTML» یک فایل مستقل شامل تمام نتایج و نمودارها دانلود کنید.
۸. تفسیر نتایج
$\lambda > 0$: سیستم آشوبناک است.
$t_\lambda$ کوچک: افق پیشبینیپذیری کوتاه است.
$t / t_\lambda$: تعداد مقیاسهای زمانی لیاپانوف که از دست رفتهاند.
واگرایی نمایی در $\ln d$: اثر پروانهای.
اشباع $\ln d$: به دلیل محدود بودن دامنه زوایا، رشد نمایی متوقف میشود.
$\Delta E / E_0$ کوچک: دقت عددی مناسب.
$D_2$ غیرصحیح: ساختار فراکتالی جاذب.
⚠️ توجه: برای شبیهسازیهای طولانیمدت (چند صد ثانیه)، استفاده از انتگرالگیرهای همتافته مانند Verlet ضروری است، زیرا RK4 انرژی را بهصورت سیستماتیک دریفت میدهد.
💡 نکته: در بازههای کوتاهمدت (تا ۶۰ ثانیه)، تغییرات انرژی کل با dt = 0.0002 و RK4 کمتر از ۰.۲٪ باقی میماند که برای تحلیل آشوب کافی است.