孤立波演示儀的制作方法
【專利摘要】一種用于模擬非線性孤立波的機械裝置。它是在鋼制的中心軸上通過軸承等距離地套上若干個相同的物理擺，相鄰擺的底部都采用彈簧鉸鏈耦合。并在中心軸的一端使用聯(lián)軸器連接可調速電機帶動軸的轉動以減小摩擦。整套裝置安防在平穩(wěn)的支架上。只需給其中任一物理擺施加初始沖量就可以模擬孤立波的產生于傳播。模擬范圍包括了孤立波的扭折解、反扭折解以及呼吸子解。
【專利說明】孤立波演示儀 所屬【技術領域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種模擬非線性動力學中的孤立波的機械裝置，主要側重于模擬孤立 波中的扭折解（kink)、反扭折解（anti-kink)和呼吸子解（breather)。
【背景技術】
[0002] 近二十多年來，孤立子理論及其應用在很多領域也已取得了長足進展。從物理本 質上講，孤立子是由非線性場所激發(fā)的、能量不彌散的的準粒子，孤立波是一類非線性偏微 分方程的行波解，其中最有代表性的是sine - Gordon (正弦一戈登）方程。該方程的解存 在三種不同的形式：扭折解、反扭折解和呼吸子解。這三種解所對應的波動在實際生活中都 較為罕見，且數(shù)學過程非常抽象復雜。目前對于孤立波的三種解的研究大多停留在理論計 算和計算機模擬上，缺少一個直觀的實物對該波進行模擬和演示，給這方面的教學和研究 帶來不小的困難。
【發(fā)明內容】
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[0003] 為了使這種深奧抽象的行波直觀的展現(xiàn)在人們面前，本發(fā)明提供一種機械裝置， 通過不同的觸發(fā)方式，使得三種行波可以在該機械裝置上呈現(xiàn)出來，而且還能演示幾種波 的相互作用。
[0004] 本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是：在鋼制的中心軸上通過軸承等距離 地套上若干個物理擺，相鄰擺的底部都采用彈簧鉸鏈耦合，將其安置在平穩(wěn)的支架上，并在 一端通過聯(lián)軸器與電機相連。當其中一個擺轉動時會帶動鄰近的擺一起轉動，相鄰擺之間 的運動有一定的滯后效應，基于牛頓定律可以解出擺的運動規(guī)律符合Sine - Gordon方程。 因此可以用擺的運動形態(tài)來模擬sine - Gordon方程的孤子解。電機帶動桿的轉動可以減 小套接處軸承和桿的摩擦力，從而使模擬更加精確。從一端開始對第一個擺施加一個足矣 使其轉動一周的沖量可以模擬扭折解和反扭折解（正反取決于轉動方向），從中間施加沖 量或兩邊同時施加沖量可以模擬呼吸子解。
[0005] 本發(fā)明的有益效果是，可以直觀的演示三種孤立波，觸發(fā)方式簡單，結果精確。
【專利附圖】
【附圖說明】：
[0006] 下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。
[0007] 圖1是該機械裝置的裝備圖。
[0008] 圖2是圖1中物理擺的構造圖和3D視圖。
[0009] 圖3是圖1中支架的左視圖和正視圖。
[0010] 圖中1.支架，2.中心軸，3.彈性擋圈，4.軸承，5.加厚外圈，6.螺桿，7.墊圈，8.六 角薄螺母，9.彈簧，10.電機，11.聯(lián)軸器，12.加強筋。其中3、4、5、6、7、8組成物理擺。
【具體實施方式】：
[0011] 在圖1所示的結構圖中，物理擺（3 - 7)通過上方的軸承套接在中心軸（2)承上， 并對軸承（3)的兩邊進行固定使其不能左右移動，只能繞中心軸轉動。相鄰擺的底部用彈 簧（9)進行鉸鏈，中心軸（2)的一端通過聯(lián)軸器（11)和等高的電機（10)相連，使得電機 (10)可以帶動中心軸一起旋轉。整個設備安防在平穩(wěn)的支架（1)上。
[0012] 在圖2所示的物理擺的構造圖中，物理擺的上部為軸承（4)和加厚外圈（5)組成， 加厚外圈（5)從邊緣處打入足夠深的螺紋孔，使得下部的全螺紋桿（6)可以擰如其中。這 樣如需調整物理擺的轉動慣量，只需更換螺紋桿（6)的長度或增加墊圈（7)的數(shù)量即可。
[0013] 在圖3所示的支架呈三角形，支架上部有一比中心軸（2)支架略大的圓孔，使得中 心軸（2)可以穿入進去，架在支架上。支架底部焊接兩個加強筋（12)以保證穩(wěn)定性。
【權利要求】
1. 一種用于模擬和研究非線性孤立波的耦合擺裝置，其特征在于一串相同的物理擺等 間離地沿水平軸安裝，并用與間距等長的輕質彈簧于底部鉸鏈；每個擺可以360度繞中心 軸自由旋轉，但不能水平側向移動；中心軸的兩端架在平穩(wěn)的支架上，其中一端通過聯(lián)軸器 與電機相連。用于模擬孤立波中的扭折解和呼吸子解。
2. 根據(jù)權利要求1所述的中心軸，其特征是可以承受足夠荷載的實心長圓柱體，長度 視擺的個數(shù)而定。
3. 根據(jù)權利要求1所述的物理擺，其特征是在重力作用下可以繞一固定水平軸旋轉的 可拆卸剛體，擺的頂部為軸承，軸承可以套在中心軸上。
4. 根據(jù)權利要求1所述的電機，其特征是可以產生驅動轉矩，帶動中心軸一起旋轉，并 可以通過相關電路調節(jié)電機轉速。
【文檔編號】G09B23/06GK104157184SQ201410398178
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年8月14日 優(yōu)先權日:2014年8月14日
【發(fā)明者】武燁存, 朱常青, 李楠, 周登宇, 張瑜, 陳達, 史慶藩 申請人:北京理工大學