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(2) In future presentations of the research findings, in addition to the course project website and public presentations, your real name and personal information will not appear in this research report. If you are interested in the research results, we can provide you with an executive summary after the study is completed.
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物理實驗

雙擺與混沌

兩組一模一樣的雙擺,初始角度只差 0.01°:前幾秒軌跡完全重合,然後突然分道揚鑣、再也回不去——對初始條件的極端敏感就是混沌,也是天氣預報只能報一週的原因。
t = 0.00 s

兩系統差異 log₁₀|Δθ₂| 對時間(直線段斜率=混沌指數)

實驗數據

尚無記錄。調整參數、完成一次量測後,按「記錄本次數據」把結果存進表格。

實驗參數

初始角度 θ₀(兩臂相同)
初始差異 Δθ=10^x 度
藍色=雙擺 A,紅色=雙擺 B(只差 Δθ)。兩條軌跡先重合、後分岔。

即時量測

目前角度差 |θ₂A−θ₂B|
°
分岔時間(差超過 30°)
s
能量漂移(積分品質檢查)
%
運動型態

畫面符號圖例

  • 雙擺 A/B 初始只差一點點(Δθ);「已分岔」=兩者軌跡天差地別(混沌對初始敏感)

實驗任務

  1. 規則區:θ₀=20°(小角度),Δθ=0.01°。兩系統幾乎永遠重合、 差異不放大——小振幅雙擺近似線性,是可預測的。
  2. 混沌區:θ₀=120° 重跑。前幾秒重合,然後突然分岔、各走各的。 看 log 差異圖:分岔前差異以「直線」上升——指數放大,這就是混沌的正字標記。
  3. 蝴蝶效應的代價:把 Δθ 從 10⁻² 縮小到 10⁻⁴(精準一百倍), 分岔時間延後多少?只多爭取幾秒——初始精度每多 100 倍,可預測時間只線性多一點。 天氣預報永遠報不了一個月,原因就在這裡。
  4. 混沌不是隨機:同樣初始條件重跑兩次,軌跡完全一樣(決定論)。 混沌=決定論+初始敏感,和擲骰子的隨機是兩回事。

模型與假設

模型:標準雙擺(m₁=m₂=1 kg、L₁=L₂=1 m)完整非線性運動方程(RK4,步長 1/960 s), 同時積分兩組僅初始角差 Δθ 的系統。
假設:無摩擦、無空氣阻力(保守系統);「能量漂移」讀數監控數值積分品質, 長時間混沌軌道的逐點位置必然失真(混沌的天性),但統計性質與能量守恆仍可信。