Сложное поведение маятников
Маятник Пуанкаре
Галилей обнаружил, что частота зависит от длины хорды маятника и не зависит от его тяжести. Но такой режим выполняется при малой амплитуде колебаний до тех пор, пока можно пренебречь трением и считать, что отклонение от оси маятника пропорционально углу этого отклонения (sinxx). В координатах «скорость — угол отклонения» такой осциллятор отображается как окружность. От трения колебания затухают. Траектория маятника с трением — это уже не окружность, а спираль. При увеличении силы исходного толчка поведение маятника становится нелинейным: окружность трансформируется в эллипс.

Маятник Пуанкаре, напротив, есть маятник с вынужденными колебаниями. Ниже на видео можно наблюдать построение карты Пуанкаре для маятника с вынужденными колебаниями (на него дополнительно действует изменяющаяся со временем сила).

Каждый раз, когда действующая сила достигает своего максимума, положение маятника в фазовой плоскости записывается в виде красной точки. Когда маятник проходит через вершину, он теряет синхронизацию с действующей силой, что приводит к беспорядочному движению. Переход затухания возникает между 10 и 10000 периодами действия силы. В конце открывается полностью построенная карта Пуанкаре, которая характеризует лежащий в основе странный аттрактор. Хотя движение кажется случайным, на самом деле оно хаотично и является результатом детерминированных уравнений движения.
Двойной маятник
На следующем видео — имитация двойного маятника, в котором шары имеют одинаковую массу, а длина соединяющих их (безмассовых) стержней составляет 0,1 метра. Моделирование выполняется в MATLAB, экспортируется кадр за кадром (4000 кадров) и конвертируется в видео длительностью 80 секунд (50 кадров в секунду, в реальном времени) с помощью ffmpeg.
Тройной маятник
Ниже тройной маятник с тремя степенями свободы. Он свободно падает под действием силы тяжести. Смотрится довольно хаотично.
12 часов симуляции тройного маятника
Это неповторимо. Насладитесь просмотром всего видео:). А самое интересное, пожалуй, начинается сразу после 8:15:35. Очень увлекательно!
Цикл книг «Фракталы и Хаос»