Pobierz artykuł
Transkrypt
Pobierz artykuł
Modelowanie komputerowe fraktalnych basenów przyciągania. Rafał Henryk Kartaszyński Uniwersytet Marii Curie-Skłodowskiej Pl. M. Curie-Skłodowskiej 1, 20-031 Lublin, Polska Streszczenie. W artykule tym zajmujemy się prostym doświadczeniem fizycznym, którego zilustrowane wyniki przedstawiają fraktalne baseny przyciągania, a granice między nimi mają strukturę fraktalną. We wstępie omówiono zagadnienie dziwnych atraktorów i basenów przyciągania. Następnie omawiamy samo doświadczenie. W kolejnym paragrafie przedstawiamy implementację programu służącego do modelowania naszego doświadczenia. Abstract. In this paper we present simple physical experiment and its results showing fractal basins of attraction, which boundaries show fractal structure. In introduction we explain what strange attractors and fractal basins of attraction are. Next we describe our experiment and program used for its modeling. Finally program implementation is concerned and project results presented. 1.Wstęp. Dziwne atraktory. Zajmujemy się dynamicznymi układami wielowymiarowymi. Jest to przypadek bardzo rzeczywisty, ponieważ realne stany rzadko dają się opisać pojedynczymi zmiennymi. Musimy się też ograniczyć do układów dyssypatywnych, tj. takich, w których występuje tarcie, a ogólniej utrata energii. Za przykład może posłużyć, będący przedmiotem głębszej analizy, ruch wahadła w pewnym ośrodku np. powietrzu. Traci ono energie na skutek różnego rodzaju tarć. Przeciwieństwem układów dyssypatywnych są układy zachowawcze, w których nie występują straty energii. Matematycy i fizycy skłonni byli uważać, że zachowanie układów dyssypatywnych, w dłuższym okresie czasu, Rys.1.1. Atraktor Russela daje się opisać prostymi wzorcami ruchu, na przykład przez istnienie punktu spoczynku. Dziwne atraktory, w przeciwieństwie, są wzorcami charakteryzującymi zachowania złożonych układów dyssypatywnych, a dokładniej ich stanów ustalonych. Przejawiają one wszelkie oznaki chaosu. Dziwne atraktory są pomostem łączącym chaos i fraktale. Jeżeli patrzymy na nie jako na struktury geometryczne, widzimy fraktale, jeżeli chcemy je analizować jako układy dynamiczne, to mamy do czynienia z chaosem. W rzeczywistości nie ma jeszcze konkretnej definicji matematycznej dziwnego atraktora. Poniżej przedstawiamy próbę zdefiniowania podstawowych własności dziwnego atraktora [1]. Niech T(x, y) będzie przekształceniem płaszczyzny o współrzędnych x, y. Ograniczony podzbiór płaszczyzny A jest chaotycznym dziwnym atraktorem przekształcenia T, jeżeli istnieje zbiór R, mający następujące własności: · Atraktor. R jest otoczeniem A, tzn. dla każdego punktu (x, y) Î A istnieje mały dysk o środku w (x, y), który jest zawarty w R. R jest obszarem pułapką, tzn. każda orbita zaczynająca się w R pozostaje na zawsze w R. Ponadto, orbita staje się bliska A i pozostaje tak blisko, jak tylko chcemy. A jest atraktorem. · Czuła zależność. Orbity wychodzące z punktów należących do R wskazują czułą zależność od warunków początkowych. A jest atraktorem chaotycznym. · Fraktal. Atraktor ma strukturę fraktalną – jest dziwnym atraktorem. · Mieszanie. A nie może zostać podzielony na dwa mniejsze atraktory (atraktor nie musi być zbiorem spójnym). Istnieją punkty początkowe z obszaru R, których orbity podchodzą dowolnie blisko dowolnego punktu atraktora A. Fraktalne baseny przyciągania. Zbadajmy teraz sytuację, gdy mamy wiele atraktorów. Wówczas orbita danego punktu początkowego powinna zbiegać do któregoś z atraktorów. Logiczne jest więc, że muszą istnieć brzegi odpowiednich basenów przyciągania, które często mają strukturę fraktalną. Z numerycznego i fizycznego punktu widzenia punkt początkowy można wyznaczyć jedynie z pewną dokładnością r. W tym miejscu pojawia się definicja punktu niepewnego. Jest to punkt, w którego otoczeniu o promieniu r istnieje punkt, którego trajektoria zbiega do innego atraktora, niż badanego punktu (rys.1.2.). Obszar ten ma szerokość 2r, jest więc proporcjonalny do r. Jeżeli zmniejszymy promień niepewności dwukrotnie (poprawiając r dokładność) to obszar punktów niepewnych zmniejsza się dwukrotnie. W naszym przypadku mamy jednak do czynienia z brzegiem o charakterze fraktalnym, więc zależność będzie bardziej złożona. Wyprowadzenie jej nie będziemy jednak przytaczać, wspomnimy jedynie, że jest to związek potęgowy, wyprowadzany w oparciu o wymiar 2r pudełkowy brzegu. Kłopotów z przewidzeniem stanu końcowego układu nie ma jedynie w przypadku, gdy dany punkt początkowy r oraz jego otoczenie, tj. punkty w odległości nie większej niż r od niego, zbiegają do tego samego atraktora. Gdy tak nie jest i istnieją punkty z tego obszaru zbiegające do różnych stanów, to nie możemy jednoznacznie przewidzieć, do którego atraktora zbiega trajektoria danego punktu początkowego. Widzimy, że przewidywanie zachowania Rys.1.2. Granica pomiędzy dwoma basenami frakatalnymi. układów nieliniowych, z więcej niż jednym atraktorem, jest Po prawej punkt niepewny. utrudnione, a wymiar fraktalny zyskuje interpretację dynamiczną. 2. Wahadło matematyczne w polu magnetycznym. Rozważamy wahadło matematyczne, które może wykonywać ruchy we wszystkich kierunkach. Pod wahadłem, w pewnej odległości od położenia równowagi, umieścimy magnesy o takiej sile przyciągania, by wahadło znajdujące się dostatecznie blisko magnesu zostało przez niego przyciągnięte. Można wywnioskować, że ruch takiego wahadła nie będzie ruchem harmonicznym, lecz ruchem bardzo złożonym, można powiedzieć chaotycznym. Z powodu występujących sił oporu, wahadło po pewnym czasie zatrzyma się przy którymś z magnesów lub w położeniu równowagi. Można spróbować przewidzieć, czy wahadło zatrzyma się w położeniu równowagi, czy przy magnesie. A jeśli przy magnesie, to przy którym. Oczywiście już z samej analizy problemu wynika, że położenie końcowe wahadła będzie zależało od wielu parametrów początkowych np.: położenia początkowego wahadła, położenia i siły magnesów czy od oporów ośrodka, w którym porusza się wahadło. Trudno byłoby ustalić eksperymentalnie położenie końcowe wahadła w zależności od tych wszystkich parametrów. Dlatego spróbujemy wykonać symulację komputerową naszego eksperymentu. Należy, zatem zacząć od wyprowadzenia równania ruchu wahadła. W celu uproszczenia rachunków wprowadzimy pewne założenia, a mianowicie: – wahadło matematyczne zawieszone jest na nieważkiej i nierozciągliwej nitce o długości jednostkowej, – wahadło traktujemy jako punkt materialny o jednostkowej masie, – wahadło może wahać się we wszystkich kierunkach w zakresie kąta - p / 2 < a < p / 2 , po powierzchni sfery o promieniu jednostkowym, – ruch wahadła rozpatrujemy w układzie współrzędnych XYZ, a punkt zaczepienia znajduje się w punkcie o współrzędnych (0, 0, 1) (rys. 2.1), – na płaszczyźnie XY umieszczone są magnesy w wierzchołkach wielokąta foremnego wpisanego w okrąg o promieniu R i środku w początku układu współrzędnych, – siła oddziaływania każdego magnesu z wahadłem jest odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości (drugie prawo Coulomba),. – siła oporu ruchu wahadła jest proporcjonalna do prędkości (siła r r Rys. 2.1 Schemat doświadczenia Stokesa F = 6phrV ), Równanie ruchu. Po tych założeniach możemy przystąpić do wyprowadzania równania ruchu wahadła. Zgodnie z naszymi założeniami wahadło porusza się po sferze spełniającej równanie: 2 x 2 + y 2 + ( z - 1) = 1 (2.1) Z warunku kąta wychylenia wahadła z położenia równowagi wynika, że składowa zowa zmienia się w zakresie 0, 1) , więc: ( z =1 - 1- x2 + y 2 gdzie: ( ) ) 1 - x 2 + y 2 = cos a = h (x ) (2.2) (2.3) + y 2 = sin a (2.4) Ze względu na tak jednoznaczne powiązanie zmiennych z, x i y (wzór 2.2) wystarczy, jeżeli napiszemy równania ruchu dla osi X i Y. Rozpatrzmy teraz ruch wahadła w polu grawitacyjnym. Wypadkową siłą, powodującą Rys. 2.2 Rozkład siły grawitacji ruch wahadła po krzywej kołowej, jest składowa siły ciężkości, leżąca na stycznej do trajektorii wahadła (rys. 2.2). 2 Korzystając z drugiej zasady dynamiki oraz rachunku wektorowego, możemy napisać równania ruchu wahadła w polu grawitacyjnym (wzór): ìïx ¢¢ + gx 1 - x 2 + y 2 = x ¢¢ + gxh = 0 (2.5) í ïîy ¢¢ + gy 1 - x 2 + y 2 = y ¢¢ + gyh = 0 gdzie: g – przyspieszenie ziemskie. Jest to układ równań różniczkowych zwyczajnych drugiego rzędu. W tym wypadku wahadło wykonuje ruch harmoniczny w jednej płaszczyźnie. Rozpatrzmy teraz siłę oddziaływania wahadła z i-tym magnesem (rys.2.3.). Niech położenie i-tego magnesu będzie określone warunkiem: ì é 2p ù ï x i = R × cos ê n (i - 1)ú ï ë û (2.6) í ï y = R × sin é 2p (i - 1)ù êë n úû ïî i gdzie: n – ilość magnesów i = 1, 2, 3, ..., n R = promień okręgu opisanego na wielokącie. Jak wynika z naszych założeń, siła oddziaływania itego magnesu z wahadłem wynosi: M Fi = 2 (2.7) Rys.2.3. Wpływ przyciągania magnesów di gdzie: M – współczynnik proporcjonalności, zależny od rodzaju magnesu d i – odległość i-tego magnesu od wahadła, która wynosi: ( ( ) ) ( )) ( 2 d i2 = ( x i - x ) + ( y i - y ) + 1 - 1 - x 2 + y 2 (2.8) Biorąc pod uwagę to, że siła składowa, wywołująca ruch wahadła, jest rzutem prostopadłym siły magnetycznej na płaszczyznę styczną od sfery (rys. 2.3) oraz wykorzystując rachunek wektorowy, otrzymamy: M Fxi = 3 x i - x xxi + yy i + 1 - x 2 + y 2 di (2.9) M 2 2 Fyi = 3 y i - y xxi + yy i + 1 - x + y di Równanie ruchu wahadła przyjmie postać: n M ì ¢ ¢ [x i - x(xx i + yy i + h)] + gxh = 0 x å ï 3 i =1 d i ï (2.10) í n M ïy ¢¢ [y i - y(xx i + yy i + h)] + gyh = 0 å 3 ïî i =1 d i Otrzymany układ równań różniczkowych zwyczajnych drugiego stopnia mógłby posłużyć nam do badania trajektorii ruchu wahadła w polu magnetycznym magnesów. Zauważymy jednak, że wahadło nasze jest przyspieszane (rys.2.4.) i nigdy nie zatrzyma się. Dlatego do równania (2.10) wprowadzamy czynnik związany z siłą oporu ośrodka, która jest proporcjonalna do prędkości wahadła. Po wprowadzeniu tego czynnika otrzymamy ostateczną postać równania ruchu wahadła: 2 [ [ 2 ( ( ( ))] ( ))] n M ì ¢ ¢ ¢ + x C x [x i - x(xx i + yy i + h)] + gxh = 0 å ï 3 i =1 d i ï í n M ïy ¢¢ + Cy ¢ [y i - y(xx i + yy i + h)] + gyh = 0 å 3 ïî i =1 d i gdzie: C – współczynnik proporcjonalności związany z oporem ośrodka. Rozwiązanie tego układu równań wymaga podania wielu parametrów początkowych jak: określenie położenia początkowego wahadła, jego prędkości początkowej, współczynnika oporu ruchu, siły oddziaływania magnesów na wahadło czy przyspieszenia ziemskiego. Takie zagadnienie z tyloma parametrami początkowymi możemy na wiele sposobów rozwiązywać numerycznie. (2.11) 3. Symulacje komputerowe ruchu wahadła matematycznego w polu magnetycznym. Wiadomo, że obraz Rys. 2.4. Trajektoria wahadła w polu magnetycznym powstały na ekranie monitora jest obrazem trzech magnesów bez oporu ruchu. płaskim, dlatego należy przyjąć pewne odwzorowanie powierzchni sfery, po której porusza się wahadło na powierzchnię płaską. Ponieważ w naszym modelu zależność między współrzędną z-ową a współrzędnymi x i y jest jednoznaczna, możemy tworzyć obrazy poprzez rzut prostopadły punktu P(x, y, z) sfery na punkt P’(x, y) na płaszczyźnie (rys. 3.1). Rys. 3.1. Odwzorowanie sfery na płaszczyznę W naszym programie wykorzystamy także inne odwzorowanie sfery na płaszczyznę. Jeżeli poprowadzimy prostą ze środka sfery przechodzącą przez punkt P(x, y, z), to prosta ta przetnie płaszczyznę XY w punkcie P”(Ux, Uy) (rys. 3.1). Należy zauważyć, że jeżeli punkt P zbliża się do równika sfery, punkt P” dąży do nieskończoności. Dlatego w naszych rozważaniach rozpatrujemy ruch wahadła w zakresie kątów - p / 2 < a < p / 2 . Takie odwzorowanie połowy sfery na płaszczyznę jest jednoznaczne i można je przedstawić w postaci: x x x Ux = = = (3.1) 2 2 1- z h 1- x + y ( ) y y y = = (3.2) 1- z h 1 - x2 + y 2 Istnieje także jednoznaczne odwzorowanie punktów płaszczyzny na punkty sfery: Ux x= (3.3) 1 + U 2x + U 2y Uy = y= ( Uy 1 + U 2x + U 2y z =1- 1 1 + U 2x + U 2y ) (3.4) (3.5) 4. Implementacja. Program został napisany w Delphi jako aplikacja wielowątkowa. Gdy znalezione zostały odwzorowania sfery na płaszczyznę, srodek:= robrazka div 2; należało również przejść ze przelicznik:=1.0/srodek; współrzędnych ekranu (piksele) na Ux:=(wiersz-srodek)*przelicznik; współrzędne płaszczyzny rzutu. Do Uy:=(srodek-kolumna)*przelicznik; określenia, jakie współrzędne na Rys.4.1. Przeliczanie pikseli na współrzędne na płaszczyźnie. płaszczyźnie (Ux, Uy) odpowiadają pikselowi (wiersz, kolumna) służy kod rys.4.1. Zmienne używane w programie to parametry początkowe doświadczenia: liczba magnesów, promień okręg, na którym znajdują się magnesy, współczynnik namagnesowania magnesów, przyspieszenie grawitacyjne, współczynnik oporu ośrodka oraz współrzędne początkowe wahadła. Dzięki takiej parametryzacji możemy przeprowadzić nasze doświadczenie np. na dowolnej planecie, a wahadło umieścić w dowolnym ośrodku. Ruch wahadła odbywa się na sferze. Współrzędna sfery przeliczane są na współrzędne płaszczyzny, a te z kolei na piksele rysunku o zadanym rozmiarze. Rozpatrując ruch wahadła, bierzemy pod uwagę przesunięcie przy stałej czasowej, uwzględniając siły oddziaływania pochodzące od pola grawitacyjnego i każdego magnesu z osobna. Na podstawie elAlfa := (DwaPi/IleMag); wyprowadzonych poprzednio równań for i := 1 to IleMag do wyznaczamy kolejne położenia wahadła. begin Program analizuje trajektorię ruchu wahadła Alfa := elAlfa * (i - 1); od wybranego punktu początkowego do Xi[i] := R * cos(Alfa); Yi[i] := R * sin(Alfa); chwili uwięzienia wahadła przez magnes lub end; pole grawitacyjne. Dla każdego magnesu i Xi[0] := 0; środka ciężkości ustalamy promień Yi[0] := 0; uwięzienia wahadła. Jeżeli wahadło w ustalonej liczbie kroków pozostanie Rys.4.2. Obliczanie współrzędnych magnesów. wewnątrz okręgu o tym promieniu, uznajemy, że dany magnes, lub punkt równowagi jest położeniem końcowym wahadła. Gdy chcemy sporządzić obraz basenów przyciągania, każdemu punktowi na ekranie przyporządkowywany jest kolor zależny od położenia końcowego wahadła. Zauważyć należy, że nasycenie szarości informuje o punktach stacjonarnych. W programie można dowolnie wybierać kolor odpowiadający wybranemu magnesowi, lub punktowi równowagi. 5. Wyniki. Efektem wykonania programu są rysunki przedstawiające rzut trajektorii ruchu wahadła na płaszczyznę. a) b) c) d) e) f) Rys. 5.1. Widok trajektorii wahadła w polu magnesów, dla zmieniających się parametrów początkowych jak: opór ruchu (C), siła oddziaływania magnesów (M), położenie początkowe (X,Y) czy liczby magnesów (N): a) N = 3; C = 0,4; M = 0,0015; X = 0,1, Y = 0,3; b) N = 3; C = 0,8; M = 0,0015; X = 0,1, Y = 0,3; c) N = 3; C = 0,9; M = 0,001; X = 0,1, Y = 0,3; d) N = 3; C = 0,9; M = 0,0015; X = 0,3, Y = 0,3; e) N = 5; C = 0,9; M = 0,0015; X = 0,3, Y = 0,1; f) N = 12; C = 0,9; M = 0,0015; X = 0,3, Y = 0,1; Na rysunku 5.2 możemy zaobserwować zależność położenia końcowego wahadła od zmieniających się parametrów początkowych: oporu ruchu, siły oddziaływania magnesów, położenia początkowego wahadła oraz liczby magnesów. Jak widzimy wszystkie parametry układu równań (2.11) mają wpływ na trajektorię ruchu i położenie końcowe wahadła. Przejdźmy do głównego eksperymentu, polegającego na stworzeniu mapy zależność położenia początkowego od położenia końcowego wahadła. Wyobraźmy sobie, że puszczamy wahadło z dowolnego punktu sfery i sprawdzamy czy wahadło zatrzyma się przy określonym przez nas magnesie. Zbiór takich punków nazywamy basenami przyciągania. Rys. 5.2. Baseny przyciągania dla wahadła zawieszonego nad dwoma magnesami Rys. 5.3 Baseny przyciągania dla wahadła zawieszonego nad czterema magnesami Rys. 5.5. Powiększenie fragmentu rysunku obok Rys.5.4. Baseny przyciągania dla wahadła zawieszonego nad trzema magnesami. Rzut prostopadły. Na powyższych rysunkach widzimy skomplikowany układ przenikających się basenów przyciągania magnesów. Należy zauważyć, że fragment basenu przyciągania, który wydaje się należeć tylko do jednego magnesu, po powiększeniu (rys. 5.5.) okazuje się poprzedzielany innymi basenami przyciągania i tak w nieskończoność. Widzimy, że w istocie mają one bardzo skomplikowaną, fraktalną strukturę, podobną do zbioru Cantora. Dalsze rozważania i obserwacje. W dalszej części pracy zajmę się basenami przyciągania dla układu pole grawitacyjne – magnes. Na rysunku 5.6 widzimy strukturę basenów przyciągania magnesu. Zastanówmy się, czym są baseny przyciągania, jakie zjawisko w istocie obserwujemy. Jeżeli przeanalizujemy układy równań (2.10) lub (2.11), ruchu wahadła, zauważymy, że wahadło porusza się w dwóch polach opisanych funkcjami sinusoidalnymi. Załóżmy, że wahadło uwięzione jest w pewnej studni potencjału opisanej wzorem (patrz układ równań (2.5) – wahadło w polu grawitacyjnym): ( ) V ( x, y , z ) = - A 1 - x 2 + y 2 = - A cos a (5.6) gdzie: A – współczynnik proporcjonalności. Jeżeli teraz wprowadzimy pewne zaburzenie tej studni potencjału innym Rys. 5.6 Baseny przyciągania dla wahadła potencjałem, opisanym także funkcją zawieszonego nad jednym magnesem. proporcjonalną do cosa (oddziaływanie magnes – wahadło), to nastąpi interpolacja obu potencjałów oraz zaburzenie jednej z funkcji falowej przez drugą. Można na tej podstawie wnioskować, że obrazy basenów przyciągania w istocie przedstawiają zaburzenia jednego potencjału przez inny potencjał. Można by było zapytać, czym jest wahadło w naszym doświadczeniu? Sądzę, że najprościej rzecz ujmując, wahadło można traktować jak sondę badającą zaburzenia potencjału. Przecież wahadło nie wprowadza w nasze pole żadnych zaburzeń i jeżeli wykonalibyśmy nasze doświadczenie bez magnesów, otrzymalibyśmy biały obraz, bez basenów przyciągania. Dopiero po wprowadzeniu magnesu w pobliże wahadła powoduje powstanie basenów przyciągania. Rozważmy zaburzenie potencjału grawitacyjnego przez słaby potencjał magnetyczny. Takie zaburzenie ilustruje rysunek 5.6. Rys.5.6. a) Rys. 5.6 b) Rys. 5.6. c) Baseny przyciągania dla wahadła zawieszonego nad jednym magnesem, przy zmieniającym się współczynniku oporu ruchu wynoszącym odpowiednio dla: a) C = 0,9; b) C = 0,6; c) C = 0,3. W ciągu tych rysunków obserwujemy zmieniający się kształt i położenie basenów przyciągania względem środka studni zaburzonego potencjału oznaczonego „+”. Zauważymy, że pierwszy basen przyciągania, znajdujący się po prawej stronie „+”, ma identyczny kształt na wszystkich rysunkach. Jest to główny basen przyciągania znajdujący się w pobliżu magnesu. Następne baseny przyciągania różnią się wyglądem, ale w każdym z nich możemy doszukać się podobieństwa do fragmentów zniekształconej funkcji sinusoidalnej. Przy czym im bardziej oddalamy się od środka, tym większe są to fragmenty. Należy zwrócić także uwagę na pierwszy basen przyciągania w kształcie łuku, znajdujący się po lewej stronie środka zaburzonego potencjału. Jego kształt zasadniczo nie ulega zmianie, ale wraz z malejącym oporem ruchu, przybliża się on do środka „+”. I jeżeli na rysunku 5.6.a, znajduje się on w odległości większej od środka niż główny basen przyciągania, to na rysunku 5.6.c, odległość tego basenu przyciągania od środka, jest mniejsza od odległości głównego basenu. W naszym eksperymencie, możemy obserwować zaburzenie studni potencjału w maksymalnym zakresie kąta - p / 2 < a < p / 2 . Lecz jeżeli baseny przyciągania są obrazem zaburzenia studni potencjalnej, to nie powinny ograniczać się tylko do tego obszaru. Rys.5.7. Baseny przyciągania dla wahadła zawieszonego nad jednym magnesem, obserwowane przy rzucie prostopadłym. Na rysunku powyżej widzimy, jak basen przyciągania znajdujący się po lewej został przerwany tak, jakby dalsza jego część znajdowała się powyżej tego kąta. 5. Podsumowanie. W artykule tym zaprezentowaliśmy proste doświadczenie, którego wyniki prowadzą do złożonych wniosków. Badanie stanu końcowego układu w zależności od warunków początkowych prowadzi do ciekawych obserwacji. Zilustrowane wyniki przedstawiają fraktalne baseny przyciągania, a granice między nimi mają strukturę fraktalną. Doświadczenie wymaga jednak użycia programu komputerowego. Odpowiednio zmieniając parametry doświadczenia możemy modelować i zmieniać otrzymane struktury fraktalne. Bibliografia. [1] Peitgen O., Jűrgens H., Saupe D. „Granica chaosu Fraktale”, PWN 2000 [2] Szuster P. „Chaos deterministyczny”, PWN 1994 [3] Penrose R. „Nowy umysł cesarza” PWN 1995 [4] Kudrewicz J. „Fraktale i chaos” PWN 1989