你知道混沌擺是什麼?用手輕輕觸碰擺杆,有趣的科學現象就發生了

2020-12-17 冷科普知識

混沌擺是什麼?看過《鋼鐵俠2》的人一定對這個擺件留有印象。它由一個普通的支架和兩根長短不同的鐵桿構成,鐵桿之間相互連接,卻又各自擺動著,顯得自由隨意。那麼,這個一度讓鋼鐵俠有點煩躁的神奇擺件究竟是什麼呢?它的名字叫Swing Stick,是混沌擺的一種。

在我國古代常用混沌來形容開天闢地之前,宇宙模糊一團的狀態。而在科學領域中,他也特指一種獨特的運動狀態,及確定性動力學系統,因為初值敏感而表現出的不可預測的類似隨機的運動。這個定義聽起來有些複雜,於是乎,混沌百應運而生,以幫助人類更好的研究混沌系統的運動規律。

其中,最為簡單的混沌擺模型是雙擺動力系統,雙擺,顧名思義就是把兩個擺級連接在一起的擺動裝置。單擺是最為常見的擺動系統。無論是鐘錶店裡一直晃動的大擺鐘,還是小鐵球來回碰撞的牛頓擺又或者高低不同曲線優美的蛇擺,歸根結底都是由一個個小的單板組合而成。

但是一旦加入了其他擺級,情況就變得複雜起來,因為每一個擺在自身運動的同時,也影響著其他擺的運動,綜合起來,整個系統就會變得混沌無序,變幻莫測。而除了運動起來毫無規律之外,混沌百還有另外一個有趣的特點。

他對初值異常的敏感,甚至人手操作的誤差也會導致無法實現兩次完全相同的擺動。也就是說,輸入端微小的差別能夠迅速放大到輸出端,變成壓倒一切的差別。這種現象被稱為對初始條件的敏感性。大家熟知的蝴蝶效應便是如此,小小的風吹草動就可能帶來難以想像的巨大災難。

最後回到混沌擺裝置本身,人類當然按捺不住各種奇思妙想,不僅製作了三擺系統,四擺系統,更是在此基礎上進行了有效的改進。比如用金屬圓盤代替金屬杆,將固定點一致擺杆的中間位置,兩端再分別連接一個擺杆,利用隨機無序的運動軌跡製作藝術作品等等。而除了這些真實的挑戰和嘗試,還有人提出了一些瘋狂的想法。遊樂園的海盜船似乎還不夠刺激,可不可以研發出類似於混沌百的娛樂設施呢。

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