CN106228874A - 三叶混沌摆演示装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种三叶混沌摆演示装置。本发明包括支架、绕自身轴线转动的主旋转轴、固定在主旋转轴上随主旋转轴同步转动的第一旋叶、安装在主旋转轴上绕主旋转轴自由转动的第二旋叶，主旋转轴通过轴承座安装于所述支架上，第二旋叶叶面固定有远离主旋转轴且与主旋转轴平行布置的辅助旋转轴，辅助旋转轴上安装有可绕辅助旋转轴自由转动的第三旋叶。本发明所述主旋转轴被瞬间驱动转动后，所述第一旋叶、第二旋叶、第三旋叶的转动方向为无规律的混沌摆动，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，并更加直观的感受到混沌现象，丰富了人们对于混沌机构的认识与理解。

Description

三叶混沌摆演示装置
技术领域
本发明属于科普教育或教学领域，具体是涉及一种三叶混沌摆演示装置。
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，尽力地描述混沌现象的状态，但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，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。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种三叶混沌摆演示装置，该装置能让参观者或学习者更加直观的感受到混沌现象，丰富了人们对于混沌机构的认识与理解。
为了实现本发明的目的，本发明采用了以下技术方案：
三叶混沌摆演示装置，包括支架、绕自身轴线转动的主旋转轴、固定在主旋转轴上随主旋转轴同步转动的第一旋叶、安装在主旋转轴上绕主旋转轴自由转动的第二旋叶，所述主旋转轴通过轴承座安装于所述支架上，所述第二旋叶叶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第三旋叶。
进一步的技术方案：所述主旋转轴轴线垂直于所述第一旋叶、第二旋叶、第三旋叶的叶面；所述主旋转轴、辅助旋转轴沿所述第二旋叶叶长方向布置，其中所述主旋转轴与第二旋叶叶尾之间的距离小于所述主旋转轴与第二旋叶叶尖之间的距离，所述辅助旋转轴与第二旋叶叶尾之间的距离大于所述辅助旋转轴与第二旋叶叶尖之间的距离；所述辅助旋转轴与第三旋叶叶尾之间的距离小于所述辅助旋转轴与第三旋叶叶尖之间的距离，所述主旋转轴与第一旋叶叶尾之间的距离小于所述主旋转轴与第一旋叶叶尖之间的距离。
进一步的技术方案：所述第一旋叶、第二旋叶、第三旋叶分别由钝角三角板构成，所述第一旋叶、第二旋叶、第三旋叶结构相同但尺寸逐渐缩小，所述钝角三角板中角度最小的角构成所述旋叶的叶尖。
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旋叶持续摆动的位置传感器、电磁驱动器。
进一步的技术方案：该演示装置还包括安装在所述第一旋叶和/或第二旋叶和/或第三旋叶上的红外传感器、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：所述第一旋叶的叶面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第一旋叶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；当所述第一旋叶逐渐靠近所述位置传感器，所述电磁驱动器向所述磁铁提供吸力；当所述第一旋叶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：所述红外传感器靠近所述第一旋叶和/或第二旋叶和/或第三旋叶的叶尖部。
进一步的技术方案：所述磁铁固定于所述第一旋叶的叶尖部。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明设计了一种新型的混沌摆机构，所述主旋转轴被瞬间驱动转动后，演示装置开始演示：第一旋叶与主旋转轴同步开始旋转；此时，第二旋叶则围绕主旋转轴也开始了它自己的自由旋转，而旋转的方向和速度与第一旋叶是不一致的；与此同时，第三旋叶围绕着辅助旋转轴也开始了它自己的自由旋转。在三个旋叶的旋转过程中，由于受到的初始力的不同，当旋转一段时间后，旋叶会从旋转运动慢慢地变成为摆动，最终停止运动。本发明演示的混沌现象更为生动、富有层次感，且相对于杆状的摆杆，具有艺术感，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。所述第一旋叶、第二旋叶、第三旋叶的转动方向为无规律的混沌摆动，参观者或学习者可以更清晰地观看到混沌摆机构呈现出的混沌现象，并更加直观的感受到混沌现象，丰富了人们对于混沌机构的认识与理解。
(2)所述主旋转轴、辅旋转轴、第一旋叶、第二旋叶、第三旋叶之间的位置布置方式可以使得所述第一旋叶、第二旋叶、第三旋叶的自由摆动幅度增大、摆动时间延长。另外所述第一旋叶、第二旋叶、第三旋叶尺寸逐渐减小也更利于产生连续的混沌摆动。
(3)参观者或学习者可以通过操作旋转手柄驱动混沌摆运行，本发明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。另外本发明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，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的观察获取有关混沌现象的知识。
所述位置传感器和电磁驱动器具体工作过程为：第一旋叶上在沿叶面方向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第一旋叶的运动过程中不发生改变；当第一旋叶摆动至逐渐靠近位置传感器时，位置传感器检测到第一旋叶的位置和运动速度，并根据第一旋叶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，此磁场向固定在第一旋叶上的小磁铁提供吸力，当第一旋叶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第一旋叶上的小磁铁提供斥力，以此来补充第一旋叶在摆动过程中消耗的能量，使得第一旋叶可以长时间连续不断的持续摆动。本发明充分利用了磁场与第一旋叶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。本发明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。
(4)本发明可以通过在所述旋叶上安装红外传感器，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。所述旋叶叶尖部的摆动幅度更大，所以将所述红外传感器安装在旋叶叶尖部，以获得更为清晰且易于被人眼区别的运动轨迹，从直观上使人们感受到混沌现象。所述运动轨迹由所述旋叶叶尖部安装红外传感器的所在位置运动形成。
附图说明
图1为本发明实施例1结构示意图。
图2为本发明实施例2结构示意图。
图3为本发明实施例3结构示意图。
图4为本发明实施例4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－第三旋叶
6－第二旋叶 7－第一旋叶 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发明技术方案做出更为具体的说明：
实施例1
如图1所示，该演示装置包括安装在底座11上的支架1、绕自身轴线转动的主旋转轴2、固定在主旋转轴2上随主旋转轴2同步转动的第一旋叶7、安装在主旋转轴2上绕主旋转轴2自由转动的第二旋叶6，所述主旋转轴2通过轴承座3安装于所述支架1上，所述第二旋叶6叶面固定有远离所述主旋转轴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上安装有可绕辅助旋转轴8自由转动的第三旋叶5。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：第一旋叶7与主旋转轴2同步开始旋转；此时，第二旋叶6则围绕主旋转轴2也开始了它自己的自由旋转，而旋转的方向和速度与第一旋叶7是不一致的；与此同时，第三旋叶5围绕着辅助旋转轴8也开始了它自己的自由旋转。在三个旋叶的旋转过程中，由于受到的初始力的不同，当旋转一段时间后，旋叶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，该混沌摆演示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：第一旋叶7与主旋转轴2同步开始旋转；此时，第二旋叶6则围绕主旋转轴2也开始了它自己的自由旋转，而旋转的方向和速度与第一旋叶7是不一致的；与此同时，第三旋叶5围绕着辅助旋转轴8也开始了它自己的自由旋转。在三个旋叶的旋转过程中，由于受到的初始力的不同，当旋转一段时间后，旋叶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：所述底座11内安装有驱动所述旋叶持续摆动的位置传感器9、电磁驱动器10。该演示装置还包括安装在所述第一旋叶7、第二旋叶6、第三旋叶5叶尖部的红外传感器7、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13以及对所述运动轨迹进行同步实时显示的显示器。当然，所述红外传感器7可以选择性安装在所述第一旋叶7、第二旋叶6、第三旋叶5中其中一个旋叶或多个旋叶上。
该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：第一旋叶7与主旋转轴2同步开始旋转；此时，第二旋叶6则围绕主旋转轴2也开始了它自己的自由旋转，而旋转的方向和速度与第一旋叶7是不一致的；与此同时，第三旋叶5围绕着辅助旋转轴8也开始了它自己的自由旋转。在三个旋叶的旋转过程中，由于受到的初始力的不同，当旋转一段时间后，旋叶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，则第一旋叶7、第二旋叶6、第三旋叶5最终会停止运动，如果位置传感器9和电磁驱动器10启动，则第一旋叶7、第二旋叶6、第三旋叶5将长时间连续不断的持续摆动。
实施例4
如图4所示，与实施例2不同的是：所述底座11内安装有驱动所述旋叶持续摆动的位置传感器9、电磁驱动器10。该演示装置还包括安装在所述第一旋叶7、第二旋叶6、第三旋叶5叶尖部的红外传感器7、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13以及对所述运动轨迹进行同步实时显示的显示器。
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：第一旋叶7与主旋转轴2同步开始旋转；此时，第二旋叶6则围绕主旋转轴2也开始了它自己的自由旋转，而旋转的方向和速度与第一旋叶7是不一致的；与此同时，第三旋叶5围绕着辅助旋转轴8也开始了它自己的自由旋转。在三个旋叶的旋转过程中，由于受到的初始力的不同，当旋转一段时间后，旋叶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，则第一旋叶7、第二旋叶6、第三旋叶5最终会停止运动，如果位置传感器9和电磁驱动器10启动，则第一旋叶7、第二旋叶6、第三旋叶5将长时间连续不断的持续摆动。
所述实施例3、实施例4所述演示装置中旋叶叶尖部还安装了红外传感器，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。

Claims (9)

1.三叶混沌摆演示装置，其特征在于：包括支架(1)、绕自身轴线转动的主旋转轴(2)、固定在主旋转轴(2)上随主旋转轴(2)同步转动的第一旋叶(7)、安装在主旋转轴(2)上绕主旋转轴(2)自由转动的第二旋叶(6)，所述主旋转轴(2)通过轴承座(3)安装于所述支架(1)上，所述第二旋叶(6)叶面固定有远离所述主旋转轴(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)上安装有可绕辅助旋转轴(8)自由转动的第三旋叶(5)。
2.如权利要求1所述的三叶混沌摆演示装置，其特征在于：所述主旋转轴(2)轴线垂直于所述第一旋叶(7)、第二旋叶(6)、第三旋叶(5)的叶面；所述主旋转轴(2)、辅助旋转轴(8)沿所述第二旋叶(6)叶长方向布置，其中所述主旋转轴(2)与第二旋叶(6)叶尾之间的距离小于所述主旋转轴(2)与第二旋叶(6)叶尖之间的距离，所述辅助旋转轴(8)与第二旋叶(6)叶尾之间的距离大于所述辅助旋转轴(8)与第二旋叶(6)叶尖之间的距离；所述辅助旋转轴(8)与第三旋叶(5)叶尾之间的距离小于所述辅助旋转轴(8)与第三旋叶(5)叶尖之间的距离，所述主旋转轴(2)与第一旋叶(7)叶尾之间的距离小于所述主旋转轴(2)与第一旋叶(7)叶尖之间的距离。
3.如权利要求2所述的三叶混沌摆演示装置，其特征在于：所述第一旋叶(7)、第二旋叶(6)、第三旋叶(5)分别由钝角三角板构成，所述第一旋叶(7)、第二旋叶(6)、第三旋叶(5)结构相同但尺寸逐渐缩小，所述钝角三角板中角度最小的角构成所述旋叶的叶尖。
4.如权利要求1所述的三叶混沌摆演示装置，其特征在于：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)或电机(12)。
5.如权利要求1所述的混沌摆演示装置，其特征在于：所述支架(1)固定安装于底座(11)上，所述底座(11)内安装有驱动所述旋叶持续摆动的位置传感器(9)、电磁驱动器(10)。
6.如权利要求2所述的三叶混沌摆演示装置，其特征在于：该演示装置还包括安装在所述第一旋叶(7)和/或第二旋叶(6)和/或第三旋叶(5)上的红外传感器(7)、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(13)以及对所述运动轨迹进行同步实时显示的显示器。
7.如权利要求5所述的三叶混沌摆演示装置，其特征在于：所述第一旋叶(7)的叶面固定有与所述电磁驱动器(10)相互磁性作用的磁铁，所述位置传感器(9)将感应到的所述第一旋叶(7)的位置信号提供给所述电磁驱动器(10)并使得电磁驱动器(10)激发磁场；当所述第一旋叶(7)逐渐靠近所述位置传感器(9)，所述电磁驱动器(10)向所述磁铁提供吸力；当所述第一旋叶(7)摆动至最低点后欲远离所述电磁驱动器(10)，所述电磁驱动器(10)向所述磁铁提供斥力。
8.如权利要求6所述的三叶混沌摆演示装置，其特征在于：所述红外传感器(13)靠近所述第一旋叶(7)和/或第二旋叶(6)和/或第三旋叶(5)的叶尖部。
9.如权利要求7所述的三叶混沌摆演示装置，其特征在于：所述磁铁固定于所述第一旋叶(7)的叶尖部。
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