To rozszerzenie szkolnego tematu ruchu drgającego i zasady zachowania energii — poza programem. Puść dwa niemal identyczne podwójne wahadła: po chwili ich tory całkowicie się rozejdą (efekt motyla), choć układ jest w pełni deterministyczny, a energia całkowita — zachowana.

Dam Ci cechę układu — rozstrzygnij, czy w czasie pozostaje ZACHOWANA (niezmiennik), czy ROZBIEGA SIĘ (chaos).
Co się właśnie stało?
Oba wahadła liczone są tymi samymi równaniami ruchu — nie ma tu żadnej losowości. A jednak maleńka różnica startowa (0,001 rad) narasta i po kilku sekundach tory końcówek nie mają ze sobą nic wspólnego. To istota chaosu deterministycznego.
Wrażliwość na warunki początkowe:
Rozbieżność dwóch niemal identycznych stanów rośnie wykładniczo w czasie ( to wykładnik Lapunowa). Dlatego nawet doskonała znajomość równań nie wystarczy do długoterminowej prognozy — błąd pomiaru startu eksploduje.
Niezmiennik — zasada zachowania energii:
Chaos NIE znaczy „bałagan bez reguł". Choć trajektorie się rozchodzą, energia całkowita układu jest stale zachowana — w panelu z prawej wierzch słupka nie drga, zmienia się jedynie podział na Eₖ i Eₚ. Determinizm ≠ przewidywalność.
Gdzie to spotkasz?
Tak samo zachowuje się pogoda: model jest deterministyczny, ale drobny błąd warunków początkowych sprawia, że prognoza na 2 tygodnie jest praktycznie niemożliwa. Stąd „efekt motyla".
Po co Ci to na maturze:
To rozszerzenie tematu ruchu drgającego i wahadła. Zwykłe wahadło matematyczne jest przewidywalne — okres nie zależy od amplitudy (dla małych wychyleń). Dołożenie drugiego ramienia burzy tę regularność, ale zasada zachowania energii działa dalej — i to ją najczęściej wykorzystujesz w zadaniach.
Zapamiętaj: układ deterministyczny może być nieprzewidywalny — maleńka różnica startu rośnie wykładniczo (efekt motyla). Ale energia całkowita jest zawsze zachowana: E = Eₖ + Eₚ = const.
Podwójne wahadło rządzą ścisłe równania ruchu — nie ma w nim losowości. A mimo to jego ruch jest praktycznie nieprzewidywalny.
Przez cały czas (bez tarcia) całkowita energia mechaniczna jest stała:
Dwie niemal identyczne konfiguracje startowe rozchodzą się wykładniczo szybko — maleńka różnica narasta z czasem: To „efekt motyla”: drobna przyczyna daje po chwili zupełnie inny tor.
Oznaczenia: — energia całkowita, — kinetyczna, — potencjalna, — rozbieżność torów, — wykładnik (tempo narastania), — czas.
Uczysz? Umieść ten eksperyment na swojej stronie.
Darmowy widget — wklej na stronę szkoły, bloga lub notatki. Linkuje do pełnej wersji.
Ruch rządzony ścisłymi równaniami, lecz tak wrażliwy na warunki początkowe, że staje się praktycznie nieprzewidywalny.
Nieskończenie mała różnica startu narasta wykładniczo — po chwili tory są zupełnie różne.
Obrazowe określenie wrażliwości na warunki początkowe: drobna przyczyna daje wielki, odległy skutek.