专利名称：一种带计算机接口的磁混沌摆的制作方法
技术领域：
本实用新型属于教学实验仪器领域。特别涉及以单摆摆锤在三个磁极引力作用下的运动状态来演示混沌的物理现象的装置。
长期以来，人们认为一个受力状态完全确定的动力学系统，只要运动的起始条件(位置和速度)为已知，则此后的运动完全确定，初始条件的微小变化，只能引起运动结果的微小变化。近20年来，由于计算机的广泛应用，人们发现在自然界还存在一类受力状态完全确定的动力学系统，对于初始条件十分敏感。起始条件的微小差别，也会导致完全不同的运动结果。这种现象被称为“混沌”，初始条件的敏感性是混沌的重要特征。进一步研究发现，混沌是自然界的普遍的现象，它广泛存在于力学、物理、化学、生物、天体力学乃至社会学之中。混沌现象的发现曾被誉为继相对论、量子论之后自然科学又一重大发现。
磁混沌摆是一种形象演示混沌现象的装置，其构造如
图1所示。这是一个以摆锤11模仿宇宙间的一个小星体被两个或三个相对静止的大星体M所吸引时产生的混沌运动。若将摆锤11拉离平衡位置后释放，可看到摆锤忽而绕磁极M1旋转，忽而绕磁极M2或M3旋转，其交替次序和运动轨迹完全无法预测。从几乎同一点释放的摆锤却得到完全不同的轨道，从不重合。近来，这种演示仪已经出现在大学的实验室，但一般只能直观演示，不能记录运动的轨迹，又由于地心引力及摆杆悬挂点摩擦力的影响，演示效果不尽人意。
本实用新型的目的是为克服现有磁混沌摆的不足之处，设计出一种带计算机接口的磁混沌摆，可以在计算机屏幕上显示并记录磁混沌摆轨迹，并可对混沌现象的其它特性作更深一步的研究。通过对结构的改进可使混沌摆自由摆动时间更长，重力对混沌运动干扰更小。图5(a)、图5(b)显示了从几乎同一点出发的摆锤其运动轨道的差异，图5(c)显示了摆锤长时间摆动其轨道的统计分布。
本实用新型设计的一种带计算机接口的磁混沌摆，包括摆杆及连于摆杆下端的摆锤、设置在摆动中心支撑摆杆的悬架，以及置于该摆锤下方的底盘及分置在该底盘上的两个以上的磁极，其特征在于，还包括该摆杆从摆动中心向上延伸出的上端固定一个电磁或光电发射装置，在发射装置上方设置一固定不动的带有计算机接口的电磁或光电接收装置，所说的悬架采用无摩擦柔性万向陀螺悬架。所说的万向陀螺悬架由上、中、下三个分悬架及四根簧片组合而成，所说的上分悬架与固定物相连，中分悬架用簧片与上分悬架及下分悬架相连，在上、中分悬架中间竖直钻有供摆杆通过的孔洞，摆杆固定于下分悬架上。本实用新型还包括在靠近摆动中心下方的摆杆上设置一个转动惯量补偿装置，该转动惯量补偿装置由棒杆，在该棒上对称位置各放一个小平衡锤构成，该棒杆与摆杆垂直且呈转动连接，该小锤与棒杆滑动连接。
本实用新型的特点及效果1．本实用新型通过计算机接口，可将摆的摆动信号送入计算机。通过发射装置随摆杆的摆动，位于发射装置上方的接收装置即可得到与混沌摆锤相对应的运动信号，经信号处理电路再输入计算机进行分析、计算和显示。
2．本实用新型采用无摩擦柔性悬架，上悬架是固定不动的，中悬架通过二个簧片与上悬架相连接，下悬架又通过二个簧片与中悬架相连，四根簧片对称排列。这样固定于下悬架的摆杆在铅垂面内摆动便有了两个自由度。在上、中悬架中间竖直钻有孔洞。这样可允许摆杆通过悬架延伸到悬架上部固定发射装置。
3．本实用新型设置一个转动惯量补偿装置，通过调节小棒的方位和小锤的径向距离，即可使摆杆在重力作用下在各方向摆动的频率相等，以消除柔性悬架对摆杆的刚度和质量对称性的影响，这样可使重力对混沌摆运动的影响减到最小。
附图简要说明；
图1为已有的一种形象演示混沌现象的装置结构示意图。
图2为本实用新型的带计算机接口的磁混沌摆结构示意图。
图3为本实用新型的的无摩擦柔性万向悬架实施例结构示意图。
图4为图3中三个悬架分离的轴侧剖面图。
图5(a)、图5(b)为本实用新型实施例记录的从几乎同一点出发的摆锤运动轨道的差异。
图5(c)为本实用新型实施例记录的摆锤长时间摆动其轨道的统计分布。
本实用新型设计的一种带计算机接口的磁混沌摆的实施例，结合各附图详细说明如下实施例的总体结构如图2所示。包括摆杆8及连于摆杆下端的摆锤9、设置在摆动中心支撑摆杆的悬架6，以及置于该摆锤下方的底盘及分置在该底盘上的两个以上的磁极(图中未示出)，该摆杆8从摆动中心向上延伸固定一个电磁或光电发射装置10，在发射装置上方有一固定不动的电磁或光电接收装置5，以及计算机接口(图中未示出)，在靠近摆动中心下方的摆杆上设置一个转动惯量补偿装置7。摆杆摆动时，装置10的位置将被装置5探测，并将信号通过信号处理电路接入计算机标准接口(RS-232，USB)或总线。计算机可通过接口采集摆锤的运动信号，并实时显示或记录摆锤的运动过程。通过对采集数据进一步的分析和计算，还可得到混沌运动的其它特征如相平面特性，拓扑空间结构，频谱特性等，以对混沌现象进行深入研究。上述的电磁或光电发射装置10，电磁或光电接收装置5，标准接口采用常规的公知产品，信号处理电路及计算机不属于本实用新型保护的范围，可采用该领域的公知技术配合使用。在此不予详细描述。
本实施例所采用的陀螺悬架是无摩擦柔性万向悬架，其结构如图3所示。它是由上、中、下三个分悬架构成，中悬架2以簧片4与上悬架1及下悬架3相连，簧片是由四个尺寸完全相同的铍青铜片构成。呈轴对称放射状，摆杆固定于下悬架，这样即可允许摆杆在各铅垂平面内绕摆动中心0自由摆动，由于各悬架之间不存在滑动摩擦，又不会出现间隙，故这种混沌摆能耗极小，摆幅衰减极慢，允许有足够的时间和摆动次数来观察摆锤的奇特混沌运动，图4是三个悬架分离的轴侧剖面图。该图显示了四根簧片的安装位置(图中带麻点的矩形片)和悬架的几何形状。
为尽可能减小重力及簧片对磁力的影响，要求摆杆(连同摆锤及悬架)对过摆心O点的X,Y轴的转动惯量和刚度完全对称。由于采用万向悬架，尤其是柔性万向悬架，这一要求很难满足。本实施例是通过在摆杆上附加一个转动惯量补偿装置-″调频棒″7来解决这一难题的。如图2所示，“调频棒”7是由带有两个小锤的直杆构成的，将″调频棒″固定于摆杆上端。棒杆与摆杆垂直，通过调节棒杆的方位角φ及小锤在棒上的径向距离r即可调节仅在重力作用下摆锤绕X,Y轴的摆动频率，直到频率十分接近为止，这时摆锤的椭圆轨道的长短轴方位变化十分缓慢。
权利要求1.一种带计算机接口的磁混沌摆，包括摆杆及连于摆杆下端的摆锤、设置在摆动中心支撑摆杆的悬架，以及置于该摆锤下方的底盘及分置在该底盘上的两个以上的磁极，其特征在于，还包括该摆杆从摆动中心向上延伸出的上端固定一个电磁或光电发射装置，在发射装置上方设置一固定不动的带有计算机接口的电磁或光电接收装置，所说的悬架采用无摩擦柔性万向陀螺悬架。
2.如权利要求1所述的带计算机接口的磁混沌摆，其特征在于，所说的万向陀螺悬架由上、中、下三个分悬架及四根簧片组合而成，所说的上分悬架与固定物相连，中分悬架用簧片与上分悬架及下分悬架相连，在上、中分悬架中间竖直钻有供摆杆通过的孔洞，摆杆固定于下分悬架上。
3.如权利要求1所述的带计算机接口的磁混沌摆，其特征在于，还包括在靠近摆动中心下方的摆杆上设置一个转动惯量补偿装置，该转动惯量补偿装置由棒杆，在该棒上对称位置各放一个小平衡锤构成，该棒杆与摆杆垂直且呈转动连接，该小锤与棒杆滑动连接。
专利摘要本实用新型属于教学实验仪器领域。包括摆杆及连于摆杆下端的摆锤、设置在摆动中心支撑摆杆的悬架，该摆杆从摆动中心向上延伸出的上端固定一个电磁或光电发射装置，在发射装置上方固定一电磁或光电接收装置，以及计算机接口，悬架采用无摩擦柔性万向陀螺悬架。本实用新型自由摆动时间更长，重力对混沌运动干扰更小。摆动信号可直接输入计算机，除了在计算机屏幕上显示磁混沌摆轨迹还可对混沌现象的其它特性作更深一步的研究。
文档编号G09B23/00GK2452071SQ0025968
公开日2001年10月3日 申请日期2000年11月10日 优先权日2000年11月10日
发明者丁小冬, 丁慎训, 张连芳 申请人:清华大学