基于摆环的混沌现象实验装置的制作方法

本实用新型属于科普教育或教学领域，具体是涉及一种基于摆环的混沌现象实验装置。

背景技术：

动力学系统的确定性是一个数学概念，指系统在任一时刻的状态被初始状态所决定。虽然根据运动的初始状态数据和运动规律能推算出任一未来时刻的运动状态，但由于初始状态数据的测定不可能完全精确，预测的结果必然出现误差，甚至不可预测。运动的可预测性是一个物理概念。一个运动即使是确定性的，也仍可为不可预测的，二者并不矛盾。牛顿力学的成功，特别是它在预言海王星上的成功，在一定程度上产生误解，把确定性和可预测性等同起来，以为确定性运动一定是可预测的。20世纪70年代后的研究表明，大量非线性运动系统中尽管系统是确定性的，却普遍存在着对运动状态初始值极为敏感、貌似随机的不可预测的运动状态即混沌现象。

混沌现象是指现实世界中存在的一种貌似无规律的复杂运动形态。共同特征是原来遵循简单物理规律的有序运动形态，在某种条件下突然偏离预期的规律性而变成了无序的形态。混沌现象可在相当广泛的一些确定性动力学系统中发生。混沌现象在统计特性上类似于随机过程，被认为是确定性系统中的一种内禀随机性。

在教学过程中，通常教师都要在黑板上绘制混沌机构，尽力地描述混沌的状态，由于混沌本身的不可视性，造成了直观教学的困难。现代教育活动中有个例的简单混沌摆机构，多数为两段机构，这种最为简单的机构在实践活动中有很多不足，首先，由于结构过于简单，使得参观者或学习者产生误解，以为混沌摆就是这样的简单机构，从而忽略了现实生活中与之不同的混沌摆机构，其二，由于混沌摆机构不能够长时间持续运行，导致参观者或学习者对混沌现象不能够进行长时间的持续观察，因而，无法从现象上加以理解。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种基于摆环的混沌现象实验装置，该装置不仅让参观者或学习者更加直观地感受到混沌现象，而且也丰富了人们对于混沌机构的认识与理解。

为了实现本实用新型的目的，本实用新型采用了以下技术方案：

基于摆环的混沌现象实验装置，包括支架、主旋转轴以及固定在主旋转轴上随主旋转轴同步转动的转盘，所述主旋转轴通过轴承座安装于所述支架上，所述转盘侧面固定有远离所述主旋转轴且与主旋转轴平行布置的辅助旋转轴，所述辅助旋转轴上安装有可绕辅助旋转轴自由转动的摆环，所述辅助旋转轴轴线位于所述摆环的环内且偏离所述摆环中心。

进一步的技术方案，所述摆环包括间隙布置的外圆环、内圆环，所述辅助旋转轴轴线位于所述内圆环的环内，所述辅助旋转轴轴线偏离所述内圆环轴线且与内圆环轴线平行，所述辅助旋转轴上安装有偏心片，所述外圆环、内圆环固定在所述偏心片上且随偏心片一起绕辅助旋转轴自由转动。

进一步的技术方案，所述转盘为三爪转盘，所述辅助旋转轴有三个且分别固定在所述三爪转盘的各爪前端，所述三爪转盘的三爪呈120°均布在所述主旋转轴外围。

进一步的技术方案，所述主旋转轴轴端设有驱动主旋转轴转动的旋转手柄或电机。

进一步的技术方案，所述支架固定安装于底座上，所述底座内安装有驱动所述摆环持续动作的位置传感器、电磁驱动器。

进一步的技术方案，该实验装置还包括安装在所述外圆环上的红外传感器、用于捕捉所述红外传感器信号的摄像头、采集所述摄像头捕捉到的信号并将该信号处理生成运动轨迹的计算机以及对所述运动轨迹进行同步实时显示的显示器。

进一步的技术方案，所述外圆环的内环面轴线偏离外环面轴线，所述内圆环的内环面轴线偏离外环面轴线，所述外圆环的外环面轴线与内圆环的外环面轴线重合，所述外圆环的内环面轴线与内圆环的内环面轴线重合，所述偏心片固定在所述外圆环、内圆环的环宽最宽处。

进一步的技术方案，沿所述摆环的外圆周方向固定有与所述电磁驱动器相互磁性作用的磁铁，所述位置传感器将感应到的所述摆环的位置信号提供给所述电磁驱动器并使得电磁驱动器激发磁场；当所述摆环逐渐靠近位置传感器，所述电磁驱动器向所述磁铁提供吸力；当所述摆环摆动至最低点后欲远离所述电磁驱动器，所述电磁驱动器向所述磁铁提供斥力。

进一步的技术方案，所述红外传感器安装在所述外圆环上。

本实用新型的有益效果在于：

(1)本实用新型设计了一种新型的混沌摆机构，所述主旋转轴转动时，所述摆环绕辅旋转轴的转动方向为无规律的混沌摆动，由于相对于杆状的摆杆，视觉角度更加符合人眼观看，不易产生错觉，尤其是长时间观看，参观者或学习者可以清晰地观看到混沌摆机构呈现出的混沌现象。所述摆环中心与辅旋转轴轴线偏离不重合，所述摆环的偏心设置使得摆环的自然摆动幅度更趋明显以及自然摆动时间更趋延长，从而大大促进了参观者或学习者对混沌现象的的直观认知。

(2)本实用新型通过所述偏心片将所述摆环的内圆环、外圆环安装在辅助旋转轴上形成绕辅旋转轴转动的偏心内圆环、偏心外圆环。本实用新型优选3个摆环并形成三圆混沌摆机构，本实用新型演示的混沌现象更为生动、富有层次感，且结构美观。

参观者或学习者可以通过操作旋转手柄驱动混沌摆运行。本实用新型所述旋转手柄增加了该演示装置演示过程中的互动性和趣味性，不但保护了演示装置不受到破坏，同时，也有利于促进参观者或学习者在教学过程中对混沌现象的理解，大大提高了教学质量。另外本实用新型可以通过电机瞬间通电(即短时间通电后随即断电)来启动混沌摆演示，随后，由于底座设置的位置传感器和电磁驱动器开始工作，摆环可以长时间连续不断的持续摆动。

所述位置传感器和电磁驱动器具体工作过程为：每一个摆环上在沿外圆环的外侧圆周方向均固定安装有条状的小磁铁，小磁铁的两端磁极分别为N 极和S极，且小磁铁的两个磁极的指向在摆环的运动过程中不发生改变；当任一摆环摆动至逐渐靠近位置传感器时，位置传感器检测到此摆环的位置和运动速度，并根据此摆环的位置向电磁驱动器提供控制信号，电磁驱动器则激发磁场，此磁场向固定在摆环上的小磁铁提供吸力，当摆环摆动至最低点后欲远离电磁驱动器时，电磁驱动器则变换磁场向摆环上的小磁铁提供斥力，以此来补充摆环在摆动过程中消耗的能量，使得摆环可以长时间连续不断的持续摆动。本实用新型充分利用了磁场与摆环上小磁铁的两极之间“同性相斥，异性相吸”的作用原理，弥补了现有技术中简单混沌摆不能持续运行的弊端，参观者或学习者能够通过长时间观察获取有关混沌现象的知识。

该演示装置不但能够实现无人操作自动运行，还可以使得演示装置能够安放在人所不易触及的地方(如高空、狭窄空间等)进行演示，其独特的设计外形也可以作为艺术展示装置使用。本实用新型还可以由人力驱动结合电磁驱动，根据实际需要在各种场所进行演示，符合节能减排的社会需要，并且结构简单，降低维护费用，适合于长期的科普展示和教学使用。

(3)本实用新型可以通过在所述外圆环上安装红外传感器，并通过摄像头捕捉所述红外传感器信号，再由计算机采集所述摄像头捕捉到的信号并将该信号处理生成运动轨迹，同步将运动轨迹实时显示在显示屏上，极大的方便了参观者或学习者的直观地体会理解混沌现象。所述运动轨迹由所述圆环上安装红外传感器的所在位置运动形成。

(4)本实用新型所述摆环的内圆环、外圆环为不对称结构，这样可以形成偏心块，便于在演示混沌现象时，形成更大的摆动幅度以及更长的摆动时间。

附图说明

图1为本实用新型实施例1结构示意图。

图2为本实用新型实施例2结构示意图。

图3为本实用新型实施例3结构示意图。

图4为本实用新型实施例4结构示意图。

图5为摆环结构示意图。

图中标记符号的含义如下：

1－支架 2－主旋转轴 3－轴承座 4－旋转手柄 5－转盘

6－偏心片 7－摆环 7-1－外圆环 7-2－内圆环 8－辅助旋转轴

9－位置传感器 10－电磁驱动器 11－底座 12－电机

13－红外传感器 14－计算机

具体实施方式

下面结合实施例对本实用新型技术方案做出更为具体的说明：

实施例1

如图1所示，该基于摆环的混沌现象实验装置包括支架1、主旋转轴2 以及固定在主旋转轴2上随主旋转轴2同步转动的三爪转盘5，所述主旋转轴2通过轴承座3安装于所述支架1上，所述三爪转盘5侧面固定有3个远离所述主旋转轴2且与主旋转轴2平行布置的辅助旋转轴8，所述辅助旋转轴8分别固定在所述三爪转盘5的各爪前端，所述三爪转盘5的三爪呈120°均布在所述主旋转轴2外围，所述辅助旋转轴8上安装有可绕辅助旋转轴8 自由转动的摆环7，所述辅助旋转轴8轴线位于所述摆环7的环内，所述辅助旋转轴8轴线偏离所述摆环7轴线且与摆环7轴线平行。

所述摆环7包括间隙布置的外圆环、内圆环，所述辅助旋转轴8上安装有偏心片6，所述外圆环、内圆环固定在所述偏心片6上且随偏心片6一起绕辅助旋转轴8自由转动。

所述主旋转轴2轴端设有驱动主旋转轴2转动的旋转手柄4。

上述演示装置的工作过程的详细说明：首先，参观者或学习者以顺时针或逆时针方向转动旋转手柄4，驱动演示装置开始演示。三爪转盘5与主旋转轴2同步开始旋转；此时，偏心片6则围绕辅助旋转轴8也开始了它自己的自由旋转，而旋转的方向和速度是不确定的；与此同时，摆环7通过偏心片6也围绕着辅助旋转轴8开始了旋转。在三个摆环7的旋转过程中，由于受到的初始力的不同，当旋转一段时间后，摆环7会从旋转运动慢慢地变成为摆动、最终停止运动。

实施例2

如图2所示，与实施例1不同的是，该基于摆环的混沌现象实验装置中所述主旋转轴2轴端设有驱动主旋转轴2转动的电机12。

该演示装置的工作过程的详细说明：首先，参观者或学习者瞬间启动电机12后断电，以顺时针或逆时针方向驱动演示装置开始演示。三爪转盘5 与主旋转轴2同步开始旋转；此时，偏心片6则围绕辅助旋转轴8也开始了它自己的自由旋转，而旋转的方向和速度是不确定的；与此同时，摆环7通过偏心片6也围绕着辅助旋转轴8开始了旋转。在三个摆环7的旋转过程中，由于受到的初始力的不同，当旋转一段时间后，摆环7会从旋转运动慢慢地变成为摆动、最终停止运动。

实施例3

如图3所示，与实施例1不同的是：该演示装置还包括安装在所述外圆环上的红外传感器13、用于捕捉所述红外传感器信号的摄像头、采集所述摄像头捕捉到的信号并将该信号处理生成运动轨迹的计算机14以及对所述运动轨迹进行同步实时显示的显示器。所述支架1固定安装于底座11上，所述底座11内安装有驱动所述摆环持续动作的位置传感器9、电磁驱动器10。

该演示装置的工作过程的详细说明：上述演示装置的工作过程的详细说明：首先，参观者或学习者以顺时针或逆时针方向转动旋转手柄4，驱动演示装置开始演示。三爪转盘5与主旋转轴2同步开始旋转；此时，偏心片6 则围绕辅助旋转轴8也开始了它自己的自由旋转，而旋转的方向和速度是不确定的；与此同时，摆环7通过偏心片6也围绕着辅助旋转轴8开始了旋转。在三个摆环7的旋转过程中，由于受到的初始力的不同，当旋转一段时间后，摆环7会从旋转运动慢慢地变成为摆动，在这期间，如果所述位置传感器9 和电磁驱动器10没有启动，则三个摆环最终会停止运动，如果位置传感器9 和电磁驱动器10启动，则演示装置将长时间连续不断的持续运行。

实施例4

如图4所示，与实施例2不同的是：该演示装置还包括安装在所述外圆环上的红外传感器13、用于捕捉所述红外传感器信号的摄像头、采集所述摄像头捕捉到的信号并将该信号处理生成运动轨迹的计算机14以及对所述运动轨迹进行同步实时显示的显示器。所述支架1固定安装于底座11上，所述底座11内安装有驱动所述摆环持续动作的位置传感器9、电磁驱动器10。

该演示装置的工作过程的详细说明：首先，参观者或学习者瞬间启动电机12后断电，以顺时针或逆时针方向驱动演示装置开始演示。三爪转盘5 与主旋转轴2同步开始旋转；此时，偏心片6则围绕辅助旋转轴8也开始了它自己的自由旋转，而旋转的方向和速度是不确定的；与此同时，摆环7通过偏心片6也围绕着辅助旋转轴8开始了旋转。在三个摆环7的旋转过程中，由于受到的初始力的不同，当旋转一段时间后，摆环7会从旋转运动慢慢地变成为摆动，在这期间，如果所述位置传感器9和电磁驱动器10没有启动，则三个摆环最终会停止运动，如果位置传感器9和电磁驱动器10启动，则演示装置将长时间连续不断的持续运行。

所述实施例3、实施例4所述演示装置中外圆环上安装了红外传感器，通过摄像头捕捉所述红外传感器信号，再由计算机采集所述摄像头捕捉到的信号并将该信号处理生成运动轨迹，同步将运动轨迹实时显示在显示屏上，极大的方便了参观者或学习者的直观地体会理解混沌现象。