本實用新型屬于科普教育或教學(xué)領(lǐng)域，具體是涉及一種三葉混沌擺演示裝置。

背景技術(shù)：

動力學(xué)系統(tǒng)的確定性是一個數(shù)學(xué)概念，指系統(tǒng)在任一時刻的狀態(tài)被初始狀態(tài)所決定。雖然根據(jù)運動的初始狀態(tài)數(shù)據(jù)和運動規(guī)律能推算出任一未來時刻的運動狀態(tài)，但由于初始狀態(tài)數(shù)據(jù)的測定不可能完全精確，預(yù)測的結(jié)果必然出現(xiàn)誤差，甚至不可預(yù)測。運動的可預(yù)測性是一個物理概念。一個運動即使是確定性的，也仍可為不可預(yù)測的，二者并不矛盾。牛頓力學(xué)的成功，特別是它在預(yù)言海王星上的成功，在一定程度上產(chǎn)生誤解，把確定性和可預(yù)測性等同起來，以為確定性運動一定是可預(yù)測的。20世紀(jì)70年代后的研究表明，大量非線性運動系統(tǒng)中盡管系統(tǒng)是確定性的，卻普遍存在著對運動狀態(tài)初始值極為敏感、貌似隨機的不可預(yù)測的運動狀態(tài)即混沌現(xiàn)象。

混沌現(xiàn)象是指現(xiàn)實世界中存在的一種貌似無規(guī)律的復(fù)雜運動形態(tài)。共同特征是原來遵循簡單物理規(guī)律的有序運動形態(tài)，在某種條件下突然偏離預(yù)期的規(guī)律性而變成了無序的形態(tài)?；煦绗F(xiàn)象可在相當(dāng)廣泛的一些確定性動力學(xué)系統(tǒng)中發(fā)生。混沌現(xiàn)象在統(tǒng)計特性上類似于隨機過程，被認(rèn)為是確定性系統(tǒng)中的一種內(nèi)稟隨機性。

在教學(xué)過程中，通常教師都要在黑板上繪制混沌機構(gòu)，盡力地描述混沌現(xiàn)象的狀態(tài)，但由于混沌本身的不可視性，造成了直觀教學(xué)的困難?，F(xiàn)代教育活動中有個例的簡單混沌擺機構(gòu)，多數(shù)為兩段機構(gòu)，這種最為簡單的機構(gòu)在實踐活動中有很多不足，由于結(jié)構(gòu)過于簡單，使得參觀者或?qū)W習(xí)者產(chǎn)生誤解，以為混沌擺就是這樣的簡單機構(gòu)，從而忽略了現(xiàn)實生活中與之不同的混沌擺機構(gòu)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決上述技術(shù)問題，本實用新型提供了一種三葉混沌擺演示裝置，該裝置能讓參觀者或?qū)W習(xí)者更加直觀的感受到混沌現(xiàn)象，豐富了人們對于混沌機構(gòu)的認(rèn)識與理解。

為了實現(xiàn)本實用新型的目的，本實用新型采用了以下技術(shù)方案：

三葉混沌擺演示裝置，包括支架、繞自身軸線轉(zhuǎn)動的主旋轉(zhuǎn)軸、固定在主旋轉(zhuǎn)軸上隨主旋轉(zhuǎn)軸同步轉(zhuǎn)動的第一旋葉、安裝在主旋轉(zhuǎn)軸上繞主旋轉(zhuǎn)軸自由轉(zhuǎn)動的第二旋葉，所述主旋轉(zhuǎn)軸通過軸承座安裝于所述支架上，所述第二旋葉葉面固定有遠離所述主旋轉(zhuǎn)軸且與主旋轉(zhuǎn)軸平行布置的輔助旋轉(zhuǎn)軸，所述輔助旋轉(zhuǎn)軸上安裝有可繞輔助旋轉(zhuǎn)軸自由轉(zhuǎn)動的第三旋葉。

進一步的技術(shù)方案：所述主旋轉(zhuǎn)軸軸線垂直于所述第一旋葉、第二旋葉、第三旋葉的葉面；所述主旋轉(zhuǎn)軸、輔助旋轉(zhuǎn)軸沿所述第二旋葉葉長方向布置，其中所述主旋轉(zhuǎn)軸與第二旋葉葉尾之間的距離小于所述主旋轉(zhuǎn)軸與第二旋葉葉尖之間的距離，所述輔助旋轉(zhuǎn)軸與第二旋葉葉尾之間的距離大于所述輔助旋轉(zhuǎn)軸與第二旋葉葉尖之間的距離；所述輔助旋轉(zhuǎn)軸與第三旋葉葉尾之間的距離小于所述輔助旋轉(zhuǎn)軸與第三旋葉葉尖之間的距離，所述主旋轉(zhuǎn)軸與第一旋葉葉尾之間的距離小于所述主旋轉(zhuǎn)軸與第一旋葉葉尖之間的距離。

進一步的技術(shù)方案：所述第一旋葉、第二旋葉、第三旋葉分別由鈍角三角板構(gòu)成，所述第一旋葉、第二旋葉、第三旋葉結(jié)構(gòu)相同但尺寸逐漸縮小，所述鈍角三角板中角度最小的角構(gòu)成所述旋葉的葉尖。

進一步的技術(shù)方案：所述主旋轉(zhuǎn)軸軸端設(shè)有驅(qū)動主旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動的旋轉(zhuǎn)手柄或電機。

進一步的技術(shù)方案：所述支架固定安裝于底座上，所述底座內(nèi)安裝有驅(qū)動所述旋葉持續(xù)擺動的位置傳感器、電磁驅(qū)動器。

進一步的技術(shù)方案：該演示裝置還包括安裝在所述第一旋葉和/或第二旋葉和/或第三旋葉上的紅外傳感器、用于捕捉所述紅外傳感器信號的攝像頭、采集所述攝像頭捕捉到的信號并將該信號處理生成運動軌跡的計算機以及對所述運動軌跡進行同步實時顯示的顯示器。

進一步的技術(shù)方案：所述第一旋葉的葉面固定有與所述電磁驅(qū)動器相互磁性作用的磁鐵，所述位置傳感器將感應(yīng)到的所述第一旋葉的位置信號提供給所述電磁驅(qū)動器并使得電磁驅(qū)動器激發(fā)磁場；當(dāng)所述第一旋葉逐漸靠近所述位置傳感器，所述電磁驅(qū)動器向所述磁鐵提供吸力；當(dāng)所述第一旋葉擺動至最低點后欲遠離所述電磁驅(qū)動器，所述電磁驅(qū)動器向所述磁鐵提供斥力。

進一步的技術(shù)方案：所述紅外傳感器靠近所述第一旋葉和/或第二旋葉和/或第三旋葉的葉尖部。

進一步的技術(shù)方案：所述磁鐵固定于所述第一旋葉的葉尖部。

本實用新型的有益效果在于：

(1)本實用新型設(shè)計了一種新型的混沌擺機構(gòu)，所述主旋轉(zhuǎn)軸被瞬間驅(qū)動轉(zhuǎn)動后，演示裝置開始演示：第一旋葉與主旋轉(zhuǎn)軸同步開始旋轉(zhuǎn)；此時，第二旋葉則圍繞主旋轉(zhuǎn)軸也開始了它自己的自由旋轉(zhuǎn)，而旋轉(zhuǎn)的方向和速度與第一旋葉是不一致的；與此同時，第三旋葉圍繞著輔助旋轉(zhuǎn)軸也開始了它自己的自由旋轉(zhuǎn)。在三個旋葉的旋轉(zhuǎn)過程中，由于受到的初始力的不同，當(dāng)旋轉(zhuǎn)一段時間后，旋葉會從旋轉(zhuǎn)運動慢慢地變成為擺動，最終停止運動。本實用新型演示的混沌現(xiàn)象更為生動、富有層次感，且相對于桿狀的擺桿，具有藝術(shù)感，視覺角度更加符合人眼觀看，不易產(chǎn)生錯覺，尤其是長時間觀看。所述第一旋葉、第二旋葉、第三旋葉的轉(zhuǎn)動方向為無規(guī)律的混沌擺動，參觀者或?qū)W習(xí)者可以更清晰地觀看到混沌擺機構(gòu)呈現(xiàn)出的混沌現(xiàn)象，并更加直觀的感受到混沌現(xiàn)象，豐富了人們對于混沌機構(gòu)的認(rèn)識與理解。

(2)所述主旋轉(zhuǎn)軸、輔旋轉(zhuǎn)軸、第一旋葉、第二旋葉、第三旋葉之間的位置布置方式可以使得所述第一旋葉、第二旋葉、第三旋葉的自由擺動幅度增大、擺動時間延長。另外所述第一旋葉、第二旋葉、第三旋葉尺寸逐漸減小也更利于產(chǎn)生連續(xù)的混沌擺動。

(3)參觀者或?qū)W習(xí)者可以通過操作旋轉(zhuǎn)手柄驅(qū)動混沌擺運行，本實用新型所述旋轉(zhuǎn)手柄增加了該演示裝置演示過程中的互動性和趣味性，不但保護了演示裝置不受到破壞，同時，也有利于促進參觀者或?qū)W習(xí)者在教學(xué)過程中對混沌現(xiàn)象的理解，大大提高了教學(xué)質(zhì)量。另外本實用新型可以通過電機瞬間通電(即短時間通電后隨即斷電)來啟動混沌擺演示，隨后，由于底座設(shè)置的位置傳感器和電磁驅(qū)動器開始工作，擺環(huán)可以長時間連續(xù)不斷的持續(xù)擺動，彌補了現(xiàn)有技術(shù)中簡單混沌擺不能持續(xù)運行的弊端，參觀者或?qū)W習(xí)者能夠通過長時間的觀察獲取有關(guān)混沌現(xiàn)象的知識。

所述位置傳感器和電磁驅(qū)動器具體工作過程為：第一旋葉上在沿葉面方向固定安裝有條狀的小磁鐵，小磁鐵的兩端磁極分別為N極和S極，且小磁鐵的兩個磁極的指向在第一旋葉的運動過程中不發(fā)生改變；當(dāng)?shù)谝恍~擺動至逐漸靠近位置傳感器時，位置傳感器檢測到第一旋葉的位置和運動速度，并根據(jù)第一旋葉的位置向電磁驅(qū)動器提供控制信號，電磁驅(qū)動器則激發(fā)磁場，此磁場向固定在第一旋葉上的小磁鐵提供吸力，當(dāng)?shù)谝恍~擺動至最低點后欲遠離電磁驅(qū)動器時，電磁驅(qū)動器則變換磁場向第一旋葉上的小磁鐵提供斥力，以此來補充第一旋葉在擺動過程中消耗的能量，使得第一旋葉可以長時間連續(xù)不斷的持續(xù)擺動。本實用新型充分利用了磁場與第一旋葉上小磁鐵的兩極之間“同性相斥，異性相吸”的作用原理，彌補了現(xiàn)有技術(shù)中簡單混沌擺不能持續(xù)運行的弊端，參觀者或?qū)W習(xí)者能夠通過長時間觀察獲取有關(guān)混沌現(xiàn)象的知識。

該演示裝置不但能夠?qū)崿F(xiàn)無人操作自動運行，還可以使得演示裝置能夠安放在人所不易觸及的地方(如高空、狹窄空間等)進行演示，其獨特的設(shè)計外形也可以作為藝術(shù)展示裝置使用。本實用新型還可以由人力驅(qū)動結(jié)合電磁驅(qū)動，根據(jù)實際需要在各種場所進行演示，符合節(jié)能減排的社會需要，并且結(jié)構(gòu)簡單，降低維護費用，適合于長期的科普展示和教學(xué)使用。

(4)本實用新型可以通過在所述旋葉上安裝紅外傳感器，并通過攝像頭捕捉所述紅外傳感器信號，再由計算機采集所述攝像頭捕捉到的信號并將該信號處理生成運動軌跡，同步將運動軌跡實時顯示在顯示屏上，極大的方便了參觀者或?qū)W習(xí)者的直觀地體會理解混沌現(xiàn)象。所述旋葉葉尖部的擺動幅度更大，所以將所述紅外傳感器安裝在旋葉葉尖部，以獲得更為清晰且易于被人眼區(qū)別的運動軌跡，從直觀上使人們感受到混沌現(xiàn)象。所述運動軌跡由所述旋葉葉尖部安裝紅外傳感器的所在位置運動形成。

附圖說明

圖1為本實用新型實施例1結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本實用新型實施例2結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本實用新型實施例3結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為本實用新型實施例4結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中標(biāo)記符號的含義如下：

1－支架 2－主旋轉(zhuǎn)軸 3－軸承座 4－旋轉(zhuǎn)手柄 5－第三旋葉

6－第二旋葉 7－第一旋葉 8－輔助旋轉(zhuǎn)軸 9－位置傳感器

10－電磁驅(qū)動器 11－底座 12－電機 13-紅外傳感器 14－計算機

具體實施方式

下面結(jié)合實施例對本實用新型技術(shù)方案做出更為具體的說明：

實施例1

如圖1所示，該演示裝置包括安裝在底座11上的支架1、繞自身軸線轉(zhuǎn)動的主旋轉(zhuǎn)軸2、固定在主旋轉(zhuǎn)軸2上隨主旋轉(zhuǎn)軸2同步轉(zhuǎn)動的第一旋葉7、安裝在主旋轉(zhuǎn)軸2上繞主旋轉(zhuǎn)軸2自由轉(zhuǎn)動的第二旋葉6，所述主旋轉(zhuǎn)軸2通過軸承座3安裝于所述支架1上，所述第二旋葉6葉面固定有遠離所述主旋轉(zhuǎn)軸2且與主旋轉(zhuǎn)軸2平行布置的輔助旋轉(zhuǎn)軸8，所述輔助旋轉(zhuǎn)軸8上安裝有可繞輔助旋轉(zhuǎn)軸8自由轉(zhuǎn)動的第三旋葉5。所述主旋轉(zhuǎn)軸2軸端設(shè)有驅(qū)動主旋轉(zhuǎn)軸2轉(zhuǎn)動的旋轉(zhuǎn)手柄4。

上述演示裝置的工作過程的詳細說明：首先，參觀者或?qū)W習(xí)者以順時針或逆時針方向轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)手柄4，驅(qū)動演示裝置開始演示：第一旋葉7與主旋轉(zhuǎn)軸2同步開始旋轉(zhuǎn)；此時，第二旋葉6則圍繞主旋轉(zhuǎn)軸2也開始了它自己的自由旋轉(zhuǎn)，而旋轉(zhuǎn)的方向和速度與第一旋葉7是不一致的；與此同時，第三旋葉5圍繞著輔助旋轉(zhuǎn)軸8也開始了它自己的自由旋轉(zhuǎn)。在三個旋葉的旋轉(zhuǎn)過程中，由于受到的初始力的不同，當(dāng)旋轉(zhuǎn)一段時間后，旋葉會從旋轉(zhuǎn)運動慢慢地變成為擺動，最終停止運動。

實施例2

如圖2所示，與實施例1不同的是，該混沌擺演示裝置中所述主旋轉(zhuǎn)軸2軸端設(shè)有驅(qū)動主旋轉(zhuǎn)軸2轉(zhuǎn)動的電機12。

該演示裝置的工作過程的詳細說明：首先，參觀者或?qū)W習(xí)者瞬間啟動電機12后斷電，以順時針或逆時針方向驅(qū)動演示裝置開始演示：第一旋葉7與主旋轉(zhuǎn)軸2同步開始旋轉(zhuǎn)；此時，第二旋葉6則圍繞主旋轉(zhuǎn)軸2也開始了它自己的自由旋轉(zhuǎn)，而旋轉(zhuǎn)的方向和速度與第一旋葉7是不一致的；與此同時，第三旋葉5圍繞著輔助旋轉(zhuǎn)軸8也開始了它自己的自由旋轉(zhuǎn)。在三個旋葉的旋轉(zhuǎn)過程中，由于受到的初始力的不同，當(dāng)旋轉(zhuǎn)一段時間后，旋葉會從旋轉(zhuǎn)運動慢慢地變成為擺動，最終停止運動。

實施例3

如圖3所示，與實施例1不同的是：所述底座11內(nèi)安裝有驅(qū)動所述旋葉持續(xù)擺動的位置傳感器9、電磁驅(qū)動器10。該演示裝置還包括安裝在所述第一旋葉7、第二旋葉6、第三旋葉5葉尖部的紅外傳感器13、用于捕捉所述紅外傳感器信號的攝像頭、采集所述攝像頭捕捉到的信號并將該信號處理生成運動軌跡的計算機13以及對所述運動軌跡進行同步實時顯示的顯示器。當(dāng)然，所述紅外傳感器13可以選擇性安裝在所述第一旋葉7、第二旋葉6、第三旋葉5中其中一個旋葉或多個旋葉上。

該演示裝置的工作過程的詳細說明：首先，參觀者或?qū)W習(xí)者以順時針或逆時針方向轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)手柄4，驅(qū)動演示裝置開始演示：第一旋葉7與主旋轉(zhuǎn)軸2同步開始旋轉(zhuǎn)；此時，第二旋葉6則圍繞主旋轉(zhuǎn)軸2也開始了它自己的自由旋轉(zhuǎn)，而旋轉(zhuǎn)的方向和速度與第一旋葉7是不一致的；與此同時，第三旋葉5圍繞著輔助旋轉(zhuǎn)軸8也開始了它自己的自由旋轉(zhuǎn)。在三個旋葉的旋轉(zhuǎn)過程中，由于受到的初始力的不同，當(dāng)旋轉(zhuǎn)一段時間后，旋葉會從旋轉(zhuǎn)運動慢慢地變成為擺動，在這期間，如果所述位置傳感器9和電磁驅(qū)動器10沒有啟動，則第一旋葉7、第二旋葉6、第三旋葉5最終會停止運動，如果位置傳感器9和電磁驅(qū)動器10啟動，則第一旋葉7、第二旋葉6、第三旋葉5將長時間連續(xù)不斷的持續(xù)擺動。

實施例4

如圖4所示，與實施例2不同的是：所述底座11內(nèi)安裝有驅(qū)動所述旋葉持續(xù)擺動的位置傳感器9、電磁驅(qū)動器10。該演示裝置還包括安裝在所述第一旋葉7、第二旋葉6、第三旋葉5葉尖部的紅外傳感器13、用于捕捉所述紅外傳感器信號的攝像頭、采集所述攝像頭捕捉到的信號并將該信號處理生成運動軌跡的計算機13以及對所述運動軌跡進行同步實時顯示的顯示器。

該演示裝置的工作過程的詳細說明：首先，參觀者或?qū)W習(xí)者瞬間啟動電機12后斷電，以順時針或逆時針方向驅(qū)動演示裝置開始演示：第一旋葉7與主旋轉(zhuǎn)軸2同步開始旋轉(zhuǎn)；此時，第二旋葉6則圍繞主旋轉(zhuǎn)軸2也開始了它自己的自由旋轉(zhuǎn)，而旋轉(zhuǎn)的方向和速度與第一旋葉7是不一致的；與此同時，第三旋葉5圍繞著輔助旋轉(zhuǎn)軸8也開始了它自己的自由旋轉(zhuǎn)。在三個旋葉的旋轉(zhuǎn)過程中，由于受到的初始力的不同，當(dāng)旋轉(zhuǎn)一段時間后，旋葉會從旋轉(zhuǎn)運動慢慢地變成為擺動，在這期間，如果所述位置傳感器9和電磁驅(qū)動器10沒有啟動，則第一旋葉7、第二旋葉6、第三旋葉5最終會停止運動，如果位置傳感器9和電磁驅(qū)動器10啟動，則第一旋葉7、第二旋葉6、第三旋葉5將長時間連續(xù)不斷的持續(xù)擺動。

所述實施例3、實施例4所述演示裝置中旋葉葉尖部還安裝了紅外傳感器，通過攝像頭捕捉所述紅外傳感器信號，再由計算機采集所述攝像頭捕捉到的信號并將該信號處理生成運動軌跡，同步將運動軌跡實時顯示在顯示屏上，極大的方便了參觀者或?qū)W習(xí)者的直觀地體會理解混沌現(xiàn)象。