Феномены нелинейной динамики диссипативных систем в неголономной механике «кельтского камня»

Аннотация

Проведено численное исследование движения «кельтского камня» — твердого тела с выпуклой поверхностью — на шероховатой горизонтальной плоскости, в зависимости от параметров, с привлечением методов, использовавшихся ранее для анализа диссипативных систем и адаптированных применительно к неголономной механической модели. Построены и интерпретированы карты динамических режимов на плоскости параметров — полной механической энергии и угла относительного поворота геометрических и динамических главных осей твердого тела. Отмечено присутствие характерных образований в пространстве параметров, наблюдавшихся ранее только для диссипативных систем. Разработана и реализована методика вычисления полного спектра показателей Ляпунова. Показано, что на основе анализа показателей Ляпунова среди хаотических режимов динамики неголономной модели выделяются два класса, первый из которых характерен для области относительно больших, а второй — для области относительно малых значений энергии. Для системы, редуцированной к трехмерному отображению, первый отвечает странному аттрактору с одним положительным и двумя отрицательными показателями Ляпунова, а второй — хаотической динамике квазиконсервативного типа, с близкими по абсолютной величине положительным и отрицательным показателями, и приблизительно нулевым оставшимся показателем. Проиллюстрирован переход к хаосу через последовательность бифуркаций удвоения периода, причем наблюдаемые закономерности масштабного подобия соответствуют тем, которые были установлены для диссипативных систем. Проведено исследование странных аттракторов — представлены фазовые портреты, показатели Ляпунова, спектры Фурье, результаты вычисления фрактальной размерности.

Ключевые слова: кельтский камень, динамика твердого тела, неголономная механика, странный аттрактор, показатель Ляпунова, бифуркация, фрактальная размерность.

Полнотекстовая версия

S.P. Kuznetsov, A.Y. Jalnine, I.R. Sataev, Y.V. Sedova. Phenomena of nonlinear dynamics of dissipative systems in nonholonomic mechanics of the rattleback. Rus. J. Nonlin. Dyn., 2012, V.8, №4, p. 735-762

Abstract

We perform a numerical study of the motion of the rattleback, a rigid body with a convex surface on a rough horizontal plane in dependence on the parameters, applying the methods used previously for the treatment of dissipative dynamical systems, and adapted for the nonholonomic model. Charts of dynamical regimes are presented on the parameter plane of the total mechanical energy and the angle between the geometric and dynamic principal axes of the rigid body. Presence of characteristic structures in the parameter space, previously observed only for dissipative systems, is demonstrated. A method of calculating for the full spectrum of Lyapunov exponents is developed and implemented. It is shown that analysis of the Lyapunov exponents of chaotic regimes of the nonholonomic model reveals two classes, one of which is typical for relatively high energies, and the second for the relatively small energies. For the model reduced to a three-dimensional map, the first one corresponds to a strange attractor with one positive and two negative Lyapunov exponents, and the second to the chaotic dynamics of the quasiconservative type, with close in magnitude positive and negative Lyapunov exponents, and the rest one about zero. The transition to chaos through a sequence of period-doubling bifurcations is illustrated, and the observed scaling corresponds to that intrinsic to the dissipative systems. A study of strange attractors is provided, in particularly, phase portraits are presented as well as the Lyapunov exponents, the Fourier spectra, the results of calculating the fractal dimensions.

Keywords: rattleback, rigid body dynamics, nonholonomic mechanics, strange attractor, Lyapunov exponents, bifurcation, fractal dimension.