阻尼傅科摆运动轨迹的研究
吴岩
南京大学匡亚明学院, 南京 210046
摘要

本文建立运动方程,得到了阻尼傅科摆的解析解,并对解的性质进行了一些探究.文中建立的模型是在理想单摆的基础上增加了科里奥利力和与速度成正比的阻尼力.

关键词: 傅科摆; 阻尼; 解析解
中图分类号:O31 文献标志码:A
MOTION OF THE DAMPED FOUCAULT PENDULUM
WU Yan
Kuang Yaming Honors School, Nanjing University, Nanjing 210046, China
Abstract

We give the equation of motion, get the analytical solution to the damped Foucault pendulum, and do some exploration about properties of the solution in this thesis. The model built in this thesis is an ideal simple pendulum with Coriolis force and damping force that's proportional to velocity.

Key words: Foucault pendulum; damping; analytical solution

对于傅科摆, 现有的文献多在讨论其不计阻力时的运动规律; 而在实际生活中空气阻力总是存在的, 因此研究阻尼傅科摆的运动规律也有实际意义.参考文献[1]已经做了十分出色的工作, 但其在解运动方程环节的最后, 犯了一个错误, 使得最终的解有瑕疵.同时, 文献[1]也并没有具体讨论最终 解中的常数是如何由初始条件确定的, 本文对此做了进一步的求解.

1 模型建立

假设傅科摆位于纬度\(\alpha\), 摆长为\(l\), 绳末悬挂着一个质量为\(m\)的大小忽略不计的小球.地球以角速度\(\omega\)自转. 建立\(O\)-\(\!\)-\(xyz\)坐标系, 其中\(O\)为摆的平衡点, \(x\)轴指向东, \(y\)轴指向北, \(z\)轴竖直向上指向天空(如图1所示).假设来自空气的阻尼力正比于摆的速度, 即\(f=kv\), \(k\)为阻尼系数. 而科里奥利力 大小为 \(2mv\omega \sin \alpha \).

我们已假定摆绳足够长, 而摆角足够小, 因此不考虑阻尼力和科里奥利力时, 摆在\(O\)-\(\!\)-\(xy\)平面内做简谐振动. 即方程

\[ \left.\begin{array} \ddot {x} = - \dfrac{g}{l}x \\ \ddot {y} = - \dfrac{g}{l}y \end{array} \right\} \ \ (1)\]

考虑阻尼力和科里奥利力

\[\left.\begin{array} \ddot {x} + \dfrac{k}{m}\dot {x} + \dfrac{g}{l}x - 2\omega \dot {y}\sin\alpha = 0 \\ \ddot {y} + \dfrac{k}{m}\dot {y} + \dfrac{g}{l}y + 2\omega \dot {x}\sin\alpha = 0 \end{array} \right\} \ \ (2)\]

2 运动方程的求解

将方程组(2) 的第2个式子乘以复数i, 再加到第一个式子里去, 方程(2)可转变为一个复微分方程

\[ \ddot {x} + {\rm i}\ddot {y} + \dfrac{k}{m}\left( {\dot {x} + {\rm i}\dot {y}} \right) +\dfrac{g}{l}\left( {x + {\rm i}y} \right) + \\ \qquad 2\omega \left( {{\rm i}\dot {x} - \dot {y}}\right)\sin \alpha = 0 \ \ (3)\]

作变量代换

\[\xi = x + {\rm i} y\]

得到

\[\ddot {\xi } + \left( {2{\rm i}\omega \sin \alpha + \dfrac{k}{m}} \right)\dot {\xi } + \dfrac{g}{l}\xi = 0\ \ (4)\]

方程(4) 是二阶线性齐次常微分方程, 所以方程(4)的通解为

\[\xi = A {\rm e}^{\lambda _1 t} + B {\rm e}^{\lambda _2 t} \ \ (5)\]

其中\(\lambda \)满足

\[\lambda ^2 + \left( {2{\rm i}\omega \sin \alpha + \dfrac{k}{m}} \right)\lambda + \dfrac{g}{l} = 0 \ \ (6)\]

方程(6)的解是

\[\left.\begin{array}{l} \lambda _1 = - \left( {{\rm i}\omega \sin \alpha + \dfrac{k}{2m}} \right) - \left({P - Q{\rm i}} \right) \\ \lambda _2 = - \left( {{\rm i}\omega \sin \alpha + \dfrac{k}{2m}} \right) + \left({P - Q{\rm i}} \right) \end{array}\!\! \right\} \ \ (7)\]

其中\(P, Q\)满足

\[4\left( {P - Q{\rm i}} \right)^2 = \left( {2{\rm i}\omega \sin \alpha + \dfrac{k}{m}} \right)^2 -4\dfrac{g}{l}\]

\[\left.\begin{array}{l} P^2 - Q^2 = - \omega ^2\sin ^2\alpha + \dfrac{k^2}{4m^2} - \dfrac{g}{l} \\ 2PQ = \dfrac{k}{m}\omega \sin \alpha \end{array}\right\}\]

\[\left. P = \left[ {\left( { - \omega ^2\sin ^2\alpha + \dfrac{k^2}{4m^2} -\dfrac{g}{l}} \right)^2 \!+\! \left( {\dfrac{k}{m}\omega \sin \alpha } \right)^2} \right]^{\tfrac 14} \!\cdot\\ \qquad \sin \left( {\dfrac{1}{2}\arctan \dfrac{\dfrac{k}{m}\omega \sin \alpha }{ - \omega ^2\sin^2\alpha + \dfrac{k^2}{4m^2} - \dfrac{g}{l}}} \right) \\ Q = \left[ {\left( { - \omega ^2\sin ^2\alpha + \dfrac{k^2}{4m^2} -\dfrac{g}{l}} \right)^2 \!+\! \left( {\dfrac{k}{m}\omega \sin \alpha } \right)^2} \right]^{\tfrac 14} \!\cdot\\ \qquad \cos \left( {\dfrac{1}{2}\arctan \dfrac{\dfrac{k}{m}\omega \sin \alpha }{ - \omega ^2\sin^2\alpha + \dfrac{k^2}{4m^2} - \dfrac{g}{l}}} \right) \!\!\!\right\} \ \ (8)\]

因此, 方程(5) 可被表示为

\[ \xi = A {\rm e}^{\left[ { - \left( { {\rm i}\omega \sin \alpha + \tfrac{k}{2m}} \right) - \left( {P - Q{\rm i}} \right)} \right] t} + \\ \qquad B{\rm e}^{\left[ { - \left( {{\rm i}\omega \sin \alpha + \tfrac{k}{2m}} \right) + \left( {P - Q{\rm i}} \right)} \right]t} = \\ \qquad {\rm e}^{ - \tfrac{k}{2m}t}\left[ {A{\rm e}^{ - Pt}{\rm e}^{{\rm i}Qt}+ B{\rm e}^{Pt}{\rm e}^{ - {\rm i}Qt}} \right] {\rm e}^{ - {\rm i}\omega t\sin \alpha } \ \ (9)\]

定义\(\omega _1 = Q\), \(\omega _2 = \omega \sin \alpha \), 则

\[ \xi = {\rm e}^{ - \tfrac{k}{2m}t}\left[ {\left( {A{\rm e}^{ - Pt} + B{\rm e}^{Pt}} \right)\cos\omega _1 t\cos \omega _2 t + }\right.\\ \qquad \left.{\left( {A{\rm e}^{ - Pt} - B{\rm e}^{Pt}}\right)\sin \omega _1 t\sin \omega _2 t} \right] + \\ \qquad {\rm i}{\rm e}^{ - \tfrac{k}{2m}t}\left[{\left( {A{\rm e}^{ - Pt} - B{\rm e}^{Pt}} \right)\sin \omega _1 t\cos \omega _2 t - }\right. \\ \qquad \left.{\left( {A{\rm e}^{ - Pt} + B{\rm e}^{Pt}} \right)\cos \omega _1 t\sin \omega _2 t} \right]\ \ (10)\]

虑及\(\xi = x + {\rm i}y\), \(A = A_1 + A_2 {\rm i}\), \(B = B_1 + B_2 {\rm i}\), 这里\(A_1 , A_2, B_1, B_2 \)均为实数, 得到方程(2)的解

\[\left. x = {\rm e}^{ - \tfrac{k}{2m}t}\left[ {\left( {A_1 {\rm e}^{ - Pt} + B_1 {\rm e}^{Pt}}\right)\cos \omega _1 t\cos \omega _2 t + }\right.\\ \qquad \left.{\left( {A_1 {\rm e}^{ - Pt} - B_1 {\rm e}^{Pt}} \right)\sin \omega _1 t\sin \omega _2 t} \right] -\\ \qquad {\rm e}^{ - \tfrac{k}{2m}t}\left[{\left( {A_2 {\rm e}^{ - Pt} - B_2 {\rm e}^{Pt}} \right)\sin \omega _1 t\cos \omega _2 t - }\right. \\ \qquad \left.{\left( {A_2 {\rm e}^{-Pt} + B_2 {\rm e}^{Pt}} \right)\cos \omega _1 t\sin \omega _2 t} \right]\\ y = {\rm e}^{ - \tfrac{k}{2m}t}\left[ {\left( {A_2 {\rm e}^{ - Pt} + B_2 {\rm e}^{Pt}} \right)\cos\omega _1 t\cos \omega _2 t +}\right.\\ \qquad \left.{\left( {A_2 {\rm e}^{ - Pt} - B_2 {\rm e}^{Pt}}\right)\sin \omega _1 t\sin \omega _2 t} \right] +\\ \qquad {\rm e}^{ - \tfrac{k}{2m}t}\left[ {\left( {A_1 {\rm e}^{ - Pt} - B_1 {\rm e}^{Pt}}\right)\sin \omega _1 t\cos \omega _2 t - }\right. \\ \qquad \left.{\left( {A_1 {\rm e}^{ - Pt} + B_1{\rm e}^{Pt}} \right)\cos \omega _1 t\sin \omega _2 t} \right] \!\!\right\} \ \ (11)\]

其中 \(A_1, A_2, B_1, B_2 \) 由初始条件决定. 至此, 我们 解出了阻尼傅科摆的运动方程.

而参考文献[1] 式(7) 与本文式(10)一致, 但文献[1]的作者在从式(7)推到式(8)的过程中, 忽略了\(A, B\)是复数这一重要问题, 因此文献[1]得到的式(8)是不正确的, 与本文的式(11)不一致.其实, 确定摆在平面的运动轨迹所需的初始条件 共有4个:\( x |_{t = 0} \), \( y |_{t = 0} \), \( \dot {x} |_{t = 0}\), \( \dot {y} |_{t = 0} \), 那么易知\(x, y\)的最终解析表达式里也应出现4个积分常数, 而非2个.

3 分析与讨论

注意到

\[\dfrac{\partial \left( {x^2 + y^2} \right)}{\partial \omega _2 } = 0 \ \ (12)\]

式中的\(\omega _2\) 是摆平面的旋转角频率[2], 而 \(\omega _1 \)则是摆球在摆平面内运动的角频率.在此我们完整地写出\(\omega _1 \)和\(\omega _2 \)的表达式以示强调.

\[\left.\begin{array}{l} \omega _1 = \left[ {\left( {\dfrac{k^2}{4m^2} - \omega ^2\sin ^2\alpha -\dfrac{g}{l}} \right)^2 \!+\! \left( {\dfrac{k\omega \sin \alpha }{m}} \right)^2} \right]^{\tfrac 14} \cdot\\ \quad \cos \left( {\dfrac{1}{2}\arctan\dfrac{\dfrac{k\omega \sin \alpha }{m}}{\dfrac{k^2}{4m^2} - \omega ^2\sin ^2\alpha - \dfrac{g}{l}}} \right)\\ \omega _2 = \omega \sin \alpha \end{array}\!\! \right\} \ \ (13)\]

其中\(k\)为阻尼系数, \(m\)为摆球质量, \(\omega \) 为地球自转角频率, \(\alpha \) 为纬度, \(g\)为重力加速度, \(l\)为摆线长. 据上式易知\(\omega _1 \) 为如下因素所决定:\(k/m\); \(\omega _2 \) 则只由地球自转速度\(\omega\)和纬度\(\alpha \)所决定.

接下来我们将讨论单摆的一些理想情形是如何包含在式(11)里的.

(1) 若\(k=0\), \(\omega \sin \alpha =0\), 简化为简谐振动

\[\left.\begin{array}{l} x = C_1 \cos \left( {\omega _1 t + \varphi _1 } \right) \\ y = C_2 \sin \left( {\omega _1 t + \varphi _2 } \right) \end{array} \right \} \ \ (14)\]

其中\(\omega _1 = \left( {g / l} \right)^{0.5}\), \(C_1 , C_2, \varphi _1, \varphi _2 \) 为由初始条件决定的常数.

(2) 若只有 \(\omega \sin \alpha =0\), 则简化为阻尼摆

\[\left.\begin{array}{l} x = {\rm e}^{ - \tfrac{k}{2m}t}C_1 \cos \left( {\omega _1 t + \phi _1 } \right) \\ y ={\rm e}^{ - \tfrac{k}{2m}t}C_2 \sin \left( {\omega _1 t + \phi _2 } \right) \end{array}\!\! \right \} \ \ (15)\]

其中 \(\omega _1 = \sqrt {\left| {\dfrac{k^2}{4m^2} - \dfrac{g}{l}} \right|} \) .

(3) 若只有\(k=0\), 则简化为无阻尼傅科摆

\[\left.\begin{array}{l} x = \left[ {\left( {A_1 + B_1 } \right)\cos \omega _1 t\cos \omega _2 t +}\right. \\ \qquad \left.{\left( {A_1 - B_1 } \right)\sin \omega _1 t\sin \omega _2 t} \right] - \\ \qquad \left[{\left( {A_2 - B_2 } \right)\sin \omega _1 t\cos \omega _2 t - }\right. \\ \qquad \left.{\left( {A_2 +B_2 } \right)\cos \omega _1 t\sin \omega _2 t} \right] \\ y = \left[ {\left( {A_2 + B_2 } \right)\cos \omega _1 t\cos \omega _2 t + }\right. \\ \qquad \left.{\left( {A_2 - B_2 } \right)\sin \omega _1 t\sin \omega _2 t} \right] + \\ \qquad \left[ {\left( {A_1 - B_1 } \right)\sin \omega _1 t\cos \omega_2 t - }\right. \\ \qquad \left.{\left( {A_1 + B_1 } \right)\cos \omega _1 t\sin \omega _2 t} \right] \end{array} \right\} \ \ (16)\]

其中, \(\omega _1 = \sqrt {\left( {\omega \sin \alpha } \right)^2 + \dfrac{g}{l}} \) .

由式(8), 式(9)和式(11), 我们注意到

\[\left.\begin{array}{l} x = x\left( {t, \dfrac{k}{m}, \dfrac{g}{l}, \omega \sin \alpha, A, B} \right) \\ y = y\left( {t, \; \; \dfrac{k}{m}, \dfrac{g}{l}, \omega \sin \alpha, A, B} \right) \end{array} \right\} \ \ (17)\]

其中\(A, B\)为积分常数(复数), \(k\)为阻尼系数, \(m\)为摆球质量, \(\omega \) 为地球自转速度, \(\alpha \)为纬度, \(g\)为重力加速度, \(l\)为摆长. 所以在不同的条件下, 会得到不同的运动轨迹. 接下来就将对此进行讨论.

作为积分常数, \(A, B\)由初始条件决定, 即\(\left. x \right|_{t = 0} \), \(\left. y \right|_{t = 0} \), \(\left. \dot{x} \right|_{t = 0} \), \(\left. \dot {y} \right|_{t = 0} \) . 由式(11), 我们有

\[\left.\begin{array}{l}\!\! x = {\rm e}^{ - \tfrac{k}{2m}t}\left[ {\left( {A_1 {\rm e}^{ - Pt} + B_1 {\rm e}^{Pt}}\right)\cos \omega _1 t\cos \omega _2 t + }\right.\\ \qquad \left.{\left( {A_1 {\rm e}^{ - Pt} - B_1 {\rm e}^{Pt}} \right)\sin \omega _1 t\sin \omega _2 t} \right] - \\ \qquad {\rm e}^{ - \tfrac{k}{2m}t}\left[ {\left( {A_2 {\rm e}^{ - Pt} - B_2 {\rm e}^{Pt}}\right)\sin \omega _1 t\cos \omega _2 t - }\right. \\ \qquad \left.{ \left( {A_2 {\rm e}^{ - Pt} + B_2{\rm e}^{Pt}} \right)\cos \omega _1 t\sin \omega _2 t} \right] \\ y = {\rm e}^{ - \tfrac{k}{2m}t}\left[ {\left( {A_2 {\rm e}^{ - Pt} + B_2 {\rm e}^{Pt}}\right)\cos \omega _1 t\cos \omega _2 t + }\right. \\ \qquad \left.{\left( {A_2 {\rm e}^{ - Pt} - B_2{\rm e}^{Pt}} \right)\sin \omega _1 t\sin \omega _2 t} \right] + \\ \qquad {\rm e}^{ - \tfrac{k}{2m}t}\left[ {\left( {A_1 {\rm e}^{ - Pt} - B_1 {\rm e}^{Pt}}\right)\sin \omega _1 t\cos \omega _2 t - }\right. \\ \qquad \left.{\left( {A_1 {\rm e}^{ - Pt} + B_1{\rm e}^{Pt}} \right)\cos \omega _1 t\sin \omega _2 t} \right]\end{array} \right\} \ \ (18)\]

\[\left.\begin{array}{l} \dot {x} = \left\{ { - \dfrac{k}{2m}{\rm e}^{ - \tfrac{k}{2m}t}\left[ {\left( {A_1{\rm e}^{ - Pt} + B_1 {\rm e}^{Pt}} \right)\cos \omega _1 t\cos \omega _2 t + \left( {A_1 {\rm e}^{ - Pt} -B_1 {\rm e}^{Pt}} \right)\sin \omega _1 t\sin \omega _2 t} \right]} \right. +\\ \qquad {\rm e}^{ - \tfrac{k}{2m}t}A_1 \left[ { - P{\rm e}^{ - Pt}\cos\left( {\omega _1 -\omega _2 } \right)t - \left( {\omega _1 -\omega _2 } \right) {\rm e}^{ - Pt}\sin \left({\omega _1 -\omega _2 } \right)t} \right]+\\ \qquad \left. { {\rm e}^{ - \tfrac{k}{2m}t}B_1 \left[ {P{\rm e}^{Pt}\cos\left( {\omega _1 +\omega _2 } \right)t - \left( {\omega _1 + \omega _2 } \right) {\rm e}^{Pt}\sin \left({\omega _1 +\omega _2 } \right)t} \right]\; } \right\} - \\ \qquad \left\{ { - \dfrac{k}{2m}{\rm e}^{ - \tfrac{k}{2m}t}\left[ {\left( {A_2{\rm e}^{ - Pt} - B_2 {\rm e}^{Pt}} \right)\sin \omega _1 t\cos \omega _2 t - \left( {A_2 {\rm e}^{ - Pt} +B_2 {\rm e}^{Pt}} \right)\cos \omega _1 t\sin \omega _2 t} \right]} \right. + \\ \qquad {\rm e}^{ - \tfrac{k}{2m}t}A_2 \left[ { - P{\rm e}^{ - Pt}\sin \left({\omega _1 - \omega _2 } \right)t + \left( {\omega _1 - \omega _2 } \right) {\rm e}^{ - Pt}\cos \left({\omega _1 - \omega _2 } \right)t} \right] -\\ \qquad \left. { {\rm e}^{ - \tfrac{k}{2m}t}B_2 \left[ {P{\rm e}^{Pt}\sin \left({\omega _1 + \omega _2 } \right)t + \left( {\omega _1 + \omega _2 } \right) {\rm e}^{Pt}\cos \left( {\omega_1 + \omega _2 } \right)t} \right]} \right\} \\ \dot {y} = \left\{ { - \dfrac{k}{2m}{\rm e}^{ - \tfrac{k}{2m}t}\left[ {\left( {A_1{\rm e}^{ - Pt} - B_1 {\rm e}^{Pt}} \right)\sin \omega _1 t\cos \omega _2 t - \left( {A_1 {\rm e}^{ - Pt} +B_1 {\rm e}^{Pt}} \right)\cos \omega _1 t\sin \omega _2 t} \right]} \right. + \\ {\rm e}^{ - \tfrac{k}{2m}t}A_1 \left[ { - P{\rm e}^{ - Pt}\sin \left({\omega _1 - \omega _2 } \right)t + \left( {\omega _1 - \omega _2 } \right) {\rm e}^{ - Pt}\cos \left({\omega _1 - \omega _2 } \right)t} \right] -\\ \qquad \left. { {\rm e}^{ - \tfrac{k}{2m}t}B_1 \left[ {P{\rm e}^{Pt}\sin \left({\omega _1 + \omega _2 } \right)t + \left( {\omega _1 + \omega _2 } \right) {\rm e}^{Pt}\cos \left( {\omega_1 + \omega _2 } \right)t} \right]} \right\} + \\ \qquad \left\{ { - \dfrac{k}{2m}{\rm e}^{ - \tfrac{k}{2m}t}\left[ {\left( {A_2{\rm e}^{ - Pt} + B_2 {\rm e}^{Pt}} \right)\cos \omega _1 t\cos \omega _2 t + \left( {A_2 {\rm e}^{ - Pt} -B_2 {\rm e}^{Pt}} \right)\sin \omega _1 t\sin \omega _2 t} \right]} \right. +\\ \qquad {\rm e}^{ - \tfrac{k}{2m}t}A_2 \left[ { - P{\rm e}^{ - Pt}\cos\left( {\omega _1 -\omega _2 } \right)t - \left( {\omega _1 - \omega _2 } \right) {\rm e}^{ - Pt}\sin \left({\omega _1 -\omega _2 } \right)t} \right] + \\ \qquad \left. { {\rm e}^{ - \tfrac{k}{2m}t}B_2 \left[ {P{\rm e}^{Pt}\cos\left( {\omega _1 +\omega _2 } \right)t - \left( {\omega _1 + \omega _2 } \right) {\rm e}^{Pt}\sin \left({\omega _1 +\omega _2 } \right)t} \right]\; } \right\} \end{array} \!\! \right \} \ \ (19)\]

对于\(t=0\),

$$\left.\begin{array}{l} \left. x \right|_{t = 0} = A_1 + B_1 , \ \ \ \left. y \right|_{t = 0} = A_2 + B_2 \\ \left. \dot {x} \right|_{t = 0} = \left( { - \dfrac{k}{2m} - P} \right)A_1 +\left( { - \dfrac{k}{2m} + P} \right)B_1 - \\ \qquad\left( {\omega _1 - \omega _2 } \right)A_2 + \left( {\omega _1 + \omega _2 } \right)B_2\\ \left. \dot {y}\right|_{t = 0} = \left( { - \dfrac{k}{2m} - P} \right)A_2 + \left( { - \dfrac{k}{2m} + P} \right)B_2 +\\ \qquad\left( {\omega _1 - \omega _2 } \right)A_1 - \left( {\omega _1 + \omega _2 } \right)B_1 \end{array}\!\!\right\}\ \ (20)$$

出于对称性的考虑, 我们不妨令\(\left. y \right|_{t = 0} =0\)(因为无论初始位置如何, 我们都可以将图1的坐标系绕着\(z\)轴旋转, 使得 \(\left. y \right|_{t = 0} = 0\).并且显然在旋转后的坐标系下, 运动方程(2)不变), 再求解方程(20)中的\(A_1, A_2, B_1, B_2 \).

\[\left.\begin{array}{l} \left. x \right|_{t = 0} = A_1 + B_1 \\ \left. y \right|_{t = 0} = 0 \\ \left. \dot {x} \right|_{t = 0} + \left( {\dfrac{k}{2m} + P} \right)x =2PB_1 + 2\omega _1 B_2 \\ \left. \dot {y} \right|_{t = 0} - \left( {\omega _1 - \omega _2 } \right)x= - 2\omega _1 B_1 + 2PB_2 \end{array}\!\! \right \} \ \ (21)\]

\[\left.\begin{array}{l} B_1 = \Bigg\{P\left[ {\left. \dot {x} \right|_{t = 0} + \left( {\dfrac{k}{2m}+ P} \right) x |_{t = 0} } \right] - \\ \qquad \omega _1 \left[ { \dot {y} |_{t = 0} - \left( {\omega_1 - \omega _2 } \right) x |_{t = 0} } \right]\Bigg\} \Bigg/ \Big (2P^2 + 2\omega _1 ^2 \Big)\\ B_2 = \Bigg \{\omega _1 \left[ { \dot {x} |_{t = 0} + \left({\dfrac{k}{2m} + P} \right) x |_{t = 0} } \right] +\\ \qquad P\left[ { \dot {y} |_{t = 0} - \left({\omega _1 - \omega _2 } \right)\left. x \right |_{t = 0} } \right]\Bigg\} \Bigg/ \Big (2\omega _1 ^2 + 2P^2\Big) \\ A_1 = x |_{t = 0} - B_1 \\ A_2 = - B_2 \end{array} \right\} \ \ (22)\]

至此, 方程(11) 可被表示为如下形式

\[\left.\begin{array}{l} x = x\left( {\left. {t, \; x} \right|_{t = 0} , \; \left. \dot {x} \right|_{t =0} , \; \left. \dot {y} \right|_{t = 0} , \dfrac{k}{m}, \; \dfrac{g}{l}, \; \omega \sin \alpha } \right) \\ y = y\left( {\left. {t, \; x} \right|_{t = 0} , \; \left. \dot {x} \right|_{t =0} , \left. \dot {y} \right|_{t = 0} , \dfrac{k}{m}, \dfrac{g}{l}, \; \omega \sin \alpha } \right) \end{array} \!\! \right \} \ \ (23)\]

在此定义

\[ {\pmb r} \equiv \left( {x, y} \right) \equiv \\ \quad {\pmb r}\left( {\left. {t, x} \right|_{t = 0}, \left. \dot {x} \right|_{t = 0} , \left. \dot {y} \right|_{t = 0} , \dfrac{k}{m}, \; \dfrac{g}{l}, \omega\sin \alpha } \right) \ \ (24)\]

借助计算机, 可以给定不同的条件, 简要地分析摆的运动轨道. 下文中将假定\(\dfrac{g}{l} = 0.1\) s\(^{ - 2}\) , 这表明重力加速度为10 N/kg, 而摆长约100 m; 以及地球自转角频率为现实生活中的 \(\omega = \dfrac{{2}\pi}{86 164 s} = 7.29\times 10^{ - 5}\) s\(^{ - 1}\). 模拟从\(t=0\)到\(t=2 000\) s 的运动轨道.

(1) 固定 \(\dfrac{k}{m} = 0.005\) s\(^{ - 1}\), \(\alpha = \dfrac{\pi }{3}\), 对不同的

\[\left[ {\left. x \right|_{t = 0} , \; \left. \dot {x} \right|_{t = 0} , \; \left. \dot {y}\right|_{t = 0} } \right]\]

显然

\[ {\pmb r} \left( {\left. {t, {\rm a} x} \right|_{t = 0} , \left. { {\rm a}\dot {x}} \right|_{t = 0}, \left. { {\rm a}\dot {y}} \right|_{t = 0} } \right) =\\ \qquad {\rm a}{\pmb r }\left( {\left. {t, x}\right|_{t = 0} , \; \left. \dot {x} \right|_{t = 0} , \left. \dot {y} \right|_{t = 0} } \right) \ \ (25)\]

a为一个常数. 所以轨道的形状是由\(\left. x \right|_{t = 0}\), \(\left. \dot {x} \right|_{t = 0}\), \(\left. \dot{y} \right|_{t = 0} \) 的相对比例决定的. 对于 \(\left. x \right|_{t = 0} \ne 0\), 我们不妨假定\(\left. x\right|_{t = 0} = 1\). 另外, \(\left. \dot {x} \right|_{t = 0} , \; \left. \dot {y} \right|_{t = 0} \)不应设置得过大, 否则将不满足微小摆角的近似.

定参数为 [1, 0, 0.5] 及[1, 0, 5]. 如图2所示, 当摆以一个\(y\)方向的小速度开始摆动时, 轨道为一个十分漂亮的螺线.这说明科里奥利力影响较小, 摆近似为只有阻尼的情形.而图3中的螺线明显倾斜, 正是因为有更大的速度, 更大的科里奥利力.

而若加上\(x\)方向的速度, 则轨道倾斜, 如图4.

图2 参数为(1, 0, 0.5)时摆的轨道

图3 参数为(1, 0, 5)时摆的轨道

图4 加上\(x\)方向速度后摆的轨道

对于\(\left[ {0, \left. \dot {x} \right|_{t = 0} , \left. \dot {y} \right|_{t = 0} }\right]\)的情形, 初始位置在坐标原点, \(x\)轴、\(y\)轴又是对称的. 不 妨设为\(\left[ {0, \left. \dot {x} \right|_{t= 0} , \; 0} \right]\), 轨道近似于\(\left[ {1, \left. \dot {x} \right|_{t = 0} , \; 0} \right]\), 如图5所示.

在\(y\)轴方向上的偏移十分小, 不过摆平面倒确实旋转了一些, 如图6.

(2) 固定 \(\left[ {\left. x \right|_{t = 0} , \left. \dot {x} \right|_{t = 0} , \left. \dot {y} \right|_{t= 0} } \right] = \left[ {1, 0, 0} \right]\), \(\dfrac{k}{m} =0.005\) s\(^{ - 1}\), 改变\(\alpha \)和改变\(\omega \)效果相同, 因为

\[ {\pmb r} \equiv \left( {x, y} \right) \equiv \ \quad {\pmb r} \left( {\left. {t, \; x} \right|_{t =0} , \left. \dot {x} \right|_{t = 0} , \left. \dot {y} \right|_{t = 0}, \dfrac{k}{m}, \dfrac{g}{l}, \omega \sin \alpha } \right) \ \ (26)\]更低的纬度与更慢的地球转速等效, 它们都给出了更小的科里奥利力以及更小的 \(y\)轴偏移, 如图7和图8所示.

图5 参数为(1, 0, 0)时摆的轨道

图6 参数为(0, 1, 0)时摆的轨道

图7 纬度为10\(^\circ\)N 处摆的轨道

图8 纬度为80\(^\circ\)N处摆的轨道

另外, 对于远大于平常的科里奥利力, 我们会得到一些完全不同的有趣轨道 (如图9). 类似于混沌现象, 轨道的形状是千奇百怪的. 不过在此我们不作过多讨论, 毕竟这也与地球实际状况不符.

图9 \(w\sin \alpha =0.07\)时摆的轨道

(3) 固定 \(\left[ {\left. x \right|_{t = 0} , \left. \dot {x} \right|_{t = 0} , \left. \dot {y} \right|_{t= 0} } \right] = \left[ {1, 0, 1} \right]\), \(\alpha = \dfrac{\pi }{3}\), \( {k}/{m}\)不同

显然研究\(k/m\)是有意义的. 在不同的介质中, 比如水, 或者对于不同质量的小球, 会得到不同的\(k/m\).

一般说来, 更大的 \(k/m\) 使得摆更快地停止. 如图10所示, \(k/m=0.05\)得到的螺线与\(k/m=0.005\)的图2不同.

图10 \(k/m=0.05\) s\(^{-1}\) 时摆的轨道

4 小结

本文重在完整地解出了阻尼傅科摆的运动方程, 也改正了文献[1]中的错误. 而关于其轨道性质的研究还有待深入进行.

致谢:感谢南京大学吴盛俊教授对本文的帮助与指导.

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献
[1] 杨忠炜. 空气阻尼影响下傅科摆的轨迹及模拟研究. 力学与实践, 2008, 30(1): 52-56 [本文引用:6]
[2] 鞠国兴. 理论力学学习指导与习题解析. 北京: 科学出版社, 2008 [本文引用:1]