You can not select more than 25 topics
Topics must start with a letter or number, can include dashes ('-') and can be up to 35 characters long.
570 lines
24 KiB
570 lines
24 KiB
\documentclass[12pt]{article} |
|
\usepackage{graphicx} |
|
\usepackage{mathptmx} |
|
\renewcommand{\rmdefault}{cmr} |
|
\usepackage{amsmath} |
|
\usepackage{amssymb} |
|
\usepackage[utf8]{inputenc} |
|
\usepackage[T2A]{fontenc} |
|
\usepackage{indentfirst} |
|
\usepackage[russian]{babel} |
|
|
|
\topmargin=-1.8cm |
|
\oddsidemargin=-5mm |
|
\evensidemargin=-5mm |
|
\textheight=24.5cm |
|
\textwidth=18cm |
|
|
|
\tolerance=700 |
|
|
|
\renewcommand{\le}{\leqslant} |
|
\renewcommand{\ge}{\geqslant} |
|
\renewcommand{\phi}{\varphi} |
|
\renewcommand{\epsilon}{\varepsilon} |
|
\DeclareMathOperator{\arccosh}{arccosh} |
|
|
|
\parindent=0cm |
|
|
|
\begin{document} |
|
\section{Постановка задачи и вывод исходных уравнений движения} |
|
Исходная функция тока: |
|
% |
|
\begin{equation} |
|
\psi'(x',y',t)=-\psi_0\th{\left(\frac{y'-a\cos{k(x'-ct)}}{\lambda\sqrt{1+k^2a^2\sin^2{k(x'-ct)}} } \right)}. |
|
\label{Psi_origin} |
|
\end{equation} |
|
% |
|
Введём следующие обозначения |
|
% |
|
\begin{equation} |
|
\begin{gathered} |
|
\phi'(x',t)=k(x'-ct),\quad |
|
q'(x',y',t)=y'-a\cos\phi'(x',t),\quad |
|
p'(x',t)=1+k^2a^2\sin^2\phi'(x',t),\\ |
|
\theta'(x',y',t)=\frac{q'(x',y',t)}{\lambda\sqrt{p'(x',t)}}. |
|
\end{gathered} |
|
\label{Definitions} |
|
\end{equation} |
|
% |
|
Краткая запись (\ref{Psi_origin}) с учётом (\ref{Definitions}): |
|
% |
|
\begin{equation} |
|
\psi'=-\psi_0\th\theta'. |
|
\label{Psi_origin_small} |
|
\end{equation} |
|
% |
|
Уравнения движения |
|
% |
|
\begin{equation} |
|
\frac{dx'}{dt}=-\frac{\partial\psi'}{\partial y'},\qquad |
|
\frac{dy'}{dt}=\frac{\partial\psi'}{\partial x'}. |
|
\label{Dyneq_def} |
|
\end{equation} |
|
% |
|
|
|
Первое уравнение: |
|
% |
|
\begin{equation} |
|
\frac{dx'}{dt}=\frac{\psi_0}{\ch^2\theta'}\frac{\partial\theta'}{\partial y'}= |
|
\frac{\psi_0}{\ch^2\theta'}\frac{1}{\lambda\sqrt{p'}}\frac{\partial q'}{\partial y'}= |
|
\frac{\psi_0}{\lambda\sqrt{p'}\ch^2\theta'}. |
|
\label{dxdt} |
|
\end{equation} |
|
% |
|
Второе уравнение: |
|
% |
|
\begin{equation} |
|
\frac{dy'}{dt}=-\frac{\psi_0}{\ch^2\theta'}\frac{\partial\theta'}{\partial x'}. |
|
\label{dydt} |
|
\end{equation} |
|
% |
|
% |
|
\begin{equation} |
|
\frac{\partial\theta'}{\partial x'}=\frac{1}{\lambda}\frac{ |
|
\frac{\partial q'}{\partial x'}\sqrt{p'}-q'\frac{1}{2\sqrt{p'}}\frac{\partial p'}{\partial x'} |
|
}{p'}. |
|
\label{dthetadx} |
|
\end{equation} |
|
% |
|
Распишем производные в (\ref{dthetadx}) |
|
% |
|
\begin{equation} |
|
\frac{\partial q'}{\partial x'}=a\sin\phi'\frac{\partial \phi'}{\partial x'}=ak\sin\phi',\\ |
|
\label{dqdx} |
|
\end{equation} |
|
% |
|
% |
|
\begin{equation} |
|
\frac{\partial p'}{\partial x'}=2k^2a^2\sin\phi'\cos\phi'\frac{\partial \phi'}{\partial x'}= |
|
2k^3a^2\sin\phi'\cos\phi'. |
|
\label{dpdx} |
|
\end{equation} |
|
% |
|
Подставим (\ref{dqdx}) и (\ref{dpdx}) в (\ref{dthetadx}) |
|
% |
|
\begin{multline} |
|
% Line 1 |
|
\frac{\partial\theta'}{\partial x'}=\frac{1}{\lambda}\frac{ |
|
ak\sqrt{p'}\sin\phi'-q'\frac{1}{2\sqrt{p'}}2k^3a^2\sin\phi'\cos\phi' |
|
}{p'}= |
|
\frac{1}{\lambda}\frac{akp'\sin\phi'-k^3a^2q'\sin\phi'\cos\phi'}{{p'}^{3/2}}=\\ |
|
% Line 2 |
|
=\frac{1}{\lambda}\frac{ |
|
ak(1+a^2k^2\sin^2\phi')\sin\phi'-a^2k^3(y'-a\cos\phi')\sin\phi'\cos\phi' |
|
}{{p'}^{3/2}}=\\ |
|
% Line 3 |
|
=\frac{ak\sin\phi'}{\lambda}\frac{ |
|
1+a^2k^2\sin^2\phi'-ak^2y'\cos\phi'+a^2k^2\cos^2\phi' |
|
}{{p'}^{3/2}}= |
|
\frac{ak\sin\phi'}{\lambda}\frac{ |
|
1+a^2k^2-ak^2y'\cos\phi' |
|
}{{p'}^{3/2}}. |
|
\label{dthetadx_full} |
|
\end{multline} |
|
% |
|
Подставляя (\ref{dthetadx_full}) в (\ref{dydt}) получаем |
|
% |
|
\begin{equation} |
|
\frac{dy'}{dt}=-\frac{ak\psi_0\sin\phi'(1+a^2k^2-ak^2y'\cos\phi')}{\lambda{p'}^{3/2}\ch^2\theta'}. |
|
\label{dydt_full} |
|
\end{equation} |
|
% |
|
\section{Нормировки и получение окончательных уравнений движения} |
|
Нормировки: |
|
% |
|
\begin{equation} |
|
x=k(x'-ct),\quad x'=\frac{x}{k}+ct,\qquad |
|
y=ky',\quad y'=\frac{y}{k},\qquad |
|
\tau=\psi_0 k^2 t,\quad t=\frac{\tau}{\psi_0 k^2}. |
|
\label{norms} |
|
\end{equation} |
|
% |
|
Производные преобразуются следующим образом |
|
% |
|
\begin{equation} |
|
\frac{dx'}{dt}=\frac{d\left(\frac{x}{k}+c \frac{\tau}{\psi_0 k^2}\right)}{d\left(\frac{\tau}{\psi_0 k^2}\right)}= |
|
\psi_0 k\dot x+c,\qquad |
|
\frac{dy'}{dt}=\frac{d\left(\frac{y}{k}\right)}{d\left(\frac{\tau}{\psi_0 k^2}\right)}= |
|
\psi_0 k\dot y, |
|
\label{dnorms} |
|
\end{equation} |
|
% |
|
где точкой обозначено дифференцирование по $\tau$. |
|
Обозначения (\ref{Definitions}) заменяются на |
|
% |
|
\begin{equation} |
|
\phi(x)=x,\quad |
|
q(x,y)=y/k-a\cos x,\quad |
|
p(x)=1+k^2a^2\sin^2 x,\quad |
|
\theta(x,y)=\frac{q(x,y)}{\lambda\sqrt{p(x)}}. |
|
\label{Definitions_norm} |
|
\end{equation} |
|
% |
|
|
|
Преобразуем уравнение (\ref{dxdt}) |
|
% |
|
\begin{equation} |
|
\begin{gathered} |
|
\frac{dx'}{dt}=\frac{\psi_0}{\lambda\sqrt{p'}\ch^2\theta'},\qquad |
|
\psi_0 k\dot x+c=\frac{\psi_0}{\lambda\sqrt{p}\ch^2\theta},\\ |
|
\dot x=\frac{1}{k\lambda\sqrt{p}\ch^2\theta}-\frac{c}{\psi_0 k}. |
|
\end{gathered} |
|
\label{dxdt_norm} |
|
\end{equation} |
|
% |
|
Аналогично поступим с уравнением (\ref{dydt_full}) |
|
% |
|
\begin{equation} |
|
\begin{gathered} |
|
\frac{dy'}{dt}=-\frac{ak\psi_0\sin\phi'(1+a^2k^2-ak^2y'\cos\phi')}{\lambda{p'}^{3/2}\ch^2\theta'},\qquad |
|
\psi_0 k\dot y=-\frac{ak\psi_0\sin x(1+a^2k^2-aky\cos x)}{\lambda{p}^{3/2}\ch^2\theta}\\ |
|
\dot y=-\frac{a\sin x(1+a^2k^2-aky\cos x)}{\lambda{p}^{3/2}\ch^2\theta}. |
|
\end{gathered} |
|
\label{dydt_norm} |
|
\end{equation} |
|
% |
|
Наконец, введём обозначения |
|
% |
|
\begin{equation} |
|
A=ak,\qquad L=\lambda k,\qquad C=\frac{c}{\psi_0 k} |
|
\label{new_params} |
|
\end{equation} |
|
% |
|
и запишем уравнения (\ref{dxdt_norm}) и (\ref{dydt_norm}) в окончательном виде |
|
% |
|
\begin{equation} |
|
\begin{aligned} |
|
\dot x&=\frac{1}{L\sqrt{1+A^2\sin^2 x}\ch^2\theta}-C,\\ |
|
\dot y&=-\frac{A\sin x(1+A^2-Ay\cos x)}{L\left(1+A^2\sin^2 x\right)^{3/2}\ch^2\theta}, |
|
\end{aligned}\qquad |
|
\theta=\frac{y-A\cos x}{L\sqrt{1+A^2\sin^2 x}}. |
|
\label{dots_final} |
|
\end{equation} |
|
% |
|
Очевидно, что функция тока для системы (\ref{dots_final}) имеет вид |
|
% |
|
\begin{equation} |
|
\psi(x,y)=-\th{\left(\frac{y-A\cos x}{L\sqrt{1+A^2\sin^2 x}}\right)}+Cy. |
|
\label{Psi_norm} |
|
\end{equation} |
|
% |
|
|
|
\section{Особые точки} |
|
Как видно из первого уравнения системы (\ref{dots_final}), особые точки могут существовать только при условии |
|
% |
|
\begin{equation} |
|
LC\le 1. |
|
\label{stat_prim_cond} |
|
\end{equation} |
|
% |
|
Из второго уравнения системы (\ref{dots_final}) получаем два условия на стационарные точки: |
|
% |
|
\begin{gather} |
|
\label{cond_stat_1} |
|
\sin x=0,\\ |
|
1+A^2-Ay\cos x=0. |
|
\label{cond_stat_2} |
|
\end{gather} |
|
% |
|
Из первого условия получаем значение $x=0$ или $x=\pi$. Подставляя его в уравнение для $\dot x$ и приравнивая правую |
|
часть нулю, находим четыре стационарные точки: |
|
% |
|
\begin{equation} |
|
\begin{gathered} |
|
\begin{aligned} |
|
x_1=&0,\\ |
|
y_1=&L\arccosh\sqrt{\frac{1}{LC}}+A, |
|
\end{aligned}\qquad |
|
\begin{aligned} |
|
x_2=&0,\\ |
|
y_2=&-L\arccosh\sqrt{\frac{1}{LC}}+A, |
|
\end{aligned}\\ |
|
\begin{aligned} |
|
x_3=&\pi,\\ |
|
y_3=&L\arccosh\sqrt{\frac{1}{LC}}-A, |
|
\end{aligned}\qquad |
|
\begin{aligned} |
|
x_4=&\pi,\\ |
|
y_4=&-L\arccosh\sqrt{\frac{1}{LC}}-A. |
|
\end{aligned} |
|
\end{gathered} |
|
\label{four_stat_points_1} |
|
\end{equation} |
|
% |
|
Анализ стабильности показывает, что вторая и третья точки устойчивы всегда, а первая |
|
и четвёртая устойчивы при условии |
|
% |
|
\begin{equation} |
|
AL\arccosh\sqrt{\frac{1}{LC}}>1. |
|
\label{stab_cond} |
|
\end{equation} |
|
% |
|
|
|
Разберём подробнее условие (\ref{cond_stat_2}). Выразив из него $y$, подставив его в уравнение для $\dot x$ и сделав |
|
замену $z=\cos x$, получаем следующее уравнение для $z$ |
|
% |
|
\begin{equation} |
|
f(z)=C,\qquad |
|
f(z)=\frac{1}{L\sqrt{1+A^2(1-z^2)}\ch^2\theta},\qquad |
|
\theta=\frac{\sqrt{1+A^2(1-z^2)}}{ALz}. |
|
\label{cond_z} |
|
\end{equation} |
|
% |
|
$f(z)$~--- чётная функция, определённая на интервале $z\in[-1:1]$, с особенностью в точке $z=0$, причём |
|
$\displaystyle \lim_{z\to 0}f(z)=0$. Анализируя производную $f'(z)$ можно показать, что $f(z)$ строго возрастает на |
|
полуинтервале $z\in(0:1]$ и строго убывает на полуинтервале $z\in[-1:0)$. Из вышеизложенных фактов следует |
|
умозаключение, что при выполнении условия |
|
% |
|
\begin{equation} |
|
C<f(\pm 1)=\frac{1}{L\ch^2{(1/AL)}} |
|
\label{stat_sec_cond} |
|
\end{equation} |
|
% |
|
существует два решения уравнения (\ref{cond_z}), симметричных относительно нуля. |
|
Нетрудно убедиться, что условие (\ref{stat_sec_cond}) совпадает с условием (\ref{stab_cond}). Таким образом, |
|
при выполнении условия (\ref{stat_sec_cond}) в системе (\ref{dots_final}) |
|
возникают в дополнение к точкам (\ref{four_stat_points_1}) ещё четыре стационарных точки: |
|
% |
|
\begin{equation} |
|
\begin{gathered} |
|
\begin{aligned} |
|
x_5=&\arccos z_0,\\ |
|
y_5=&\frac{1+A^2}{Az_0}, |
|
\end{aligned}\qquad |
|
\begin{aligned} |
|
x_6=&2\pi-\arccos z_0,\\ |
|
y_6=&\frac{1+A^2}{Az_0}, |
|
\end{aligned}\\ |
|
\begin{aligned} |
|
x_7=&\pi-\arccos z_0,\\ |
|
y_7=&-\frac{1+A^2}{Az_0}, |
|
\end{aligned}\qquad |
|
\begin{aligned} |
|
x_8=&\pi+\arccos z_0,\\ |
|
y_8=&-\frac{1+A^2}{Az_0}, |
|
\end{aligned} |
|
\end{gathered} |
|
\label{four_stat_points_2} |
|
\end{equation} |
|
% |
|
где $z_0$~--- положительное решение уравнения (\ref{cond_z}). Анализ стабильности показывает, что эти точки всегда |
|
неустойчивы. |
|
|
|
Таким образом, с точки зрения существования и стабильности особых точек, существует три режима: |
|
% |
|
\begin{enumerate} |
|
\item $C>C_\text{cr1}=1/L$. Особых точек нет. |
|
\item $C_\text{cr1}>C>C_\text{cr2}=\frac{1}{L\ch^2{(1/AL)}}$. Существует четыре особых точки (\ref{four_stat_points_1}): |
|
два центра (вторая и третья точки) и два седла (первая и четвёртая точки). |
|
Существует две сепаратрисы, проходящие через первую и четвёртую точки, соответственно. |
|
\item $C_\text{cr2}>C$. Существует восемь особых точек: четыре центра (\ref{four_stat_points_1}) и |
|
четыре седла (\ref{four_stat_points_2}). Существует две сепаратрисы. Первая проходит через пятую и шестую точки, |
|
вторая~--- через седьмую и восьмую. |
|
\end{enumerate} |
|
% |
|
Бифуркация между первым и вторым режимами заключается в возникновении двух пар седло-центр. |
|
Бифуркация между вторым и третьим режимами заключается в возникновении на месте неустойчивого седла |
|
пары сёдел и центра между ними (бифуркация типа вилки). Зависимость $C_\text{cr2}$ от параметров |
|
$A$ и $L$ приведена на рис.~\ref{FigC}a. |
|
% |
|
\begin{figure}[!htb] |
|
\parbox[c]{0.48\textwidth}{ |
|
\centerline{a)} |
|
\centerline{\includegraphics[width=0.48\textwidth]{C2.eps}} |
|
}\hfill \parbox[c]{0.48\textwidth}{ |
|
\centerline{b)} |
|
\centerline{\includegraphics[width=0.48\textwidth]{C3.eps}} |
|
}\\ |
|
$\mathstrut$\hfill |
|
\parbox[c]{0.48\textwidth}{ |
|
\centerline{c)} |
|
\centerline{\includegraphics[width=0.48\textwidth]{DC.eps}} |
|
}\hfill$\mathstrut$ |
|
\caption{a) |
|
$C_\text{cr2}(A,L)$; b) $C_\text{cr3}(A,L)$; |
|
c) $C_\text{cr2}(A,L)-C_\text{cr3}(A,L)$.} |
|
\label{FigC} |
|
\end{figure} |
|
% |
|
|
|
Однако, возможна ещё одна бифуркация, приводящая к изменению топологии фазовго портрета, но не затрагивающая |
|
особых точек. Нетрудно убедится, что значения функции тока (\ref{Psi_norm}) на сепаратрисах равны по модулю, но |
|
противоположны по знаку. Можно показать, что функция тока для сепаратрисы, проходящей через точки с $y>0$ меняется |
|
непрерывно от отрицательного значения ($-1$) при $C\to 0$, до положительного ($AC$) при $C=C_\text{cr1}$. Функция |
|
тока для второй сепаратрисы меняется, соответственно, от $1$ до $-AC$. Существует некоторое критическое значение |
|
$C=C_\text{cr3}$ при котором функция тока на обеих сепаратрисах равна нулю и сепаратрисы совпадают. |
|
При $C>C=C_\text{cr3}$ на фазовом портрете свободное течение между сепаратрисами направлено с востока на запад, |
|
а при $C<C=C_\text{cr3}$~--- с запада на восток\footnote{Я не знаю как доказать этот факт аналитически, но он |
|
виден на фазовых портретах.}. $C=C_\text{cr3}$ сложно найти аналитически, однако можно показать, что |
|
$C_\text{cr3}>C_\text{cr2}$, если выполняется условие |
|
% |
|
\begin{equation} |
|
\frac{1+A^2}{AL\ch^2{(1/AL)}}-\th{(1/AL)}<0. |
|
\label{cond_Ccr3} |
|
\end{equation} |
|
% |
|
В противном случае $C_\text{cr3}<C_\text{cr2}$. Зависимость $C_\text{cr3}$ от параметров |
|
$A$ и $L$ приведена на рис.~\ref{FigC}b. На рис.~\ref{FigC}с приведена зависимость |
|
разности $C_\text{cr2}$ и $C_\text{cr3}$. |
|
|
|
% |
|
\begin{figure}[!htb] |
|
\parbox[c]{0.48\textwidth}{ |
|
\centerline{a)} |
|
\centerline{\includegraphics[width=0.48\textwidth]{port_2a.eps}} |
|
}\hfill \parbox[c]{0.48\textwidth}{ |
|
\centerline{b)} |
|
\centerline{\includegraphics[width=0.48\textwidth]{port_2b.eps}} |
|
} |
|
\caption{a) $A=0.6$, $L=1.0$, $C=0.7$; b) $A=0.6$, $L=0.7$, $C=0.4$.} |
|
\label{port_2} |
|
\end{figure} |
|
% |
|
% |
|
\begin{figure}[!htb] |
|
\parbox[c]{0.48\textwidth}{ |
|
\centerline{a)} |
|
\centerline{\includegraphics[width=0.48\textwidth]{port_3a.eps}} |
|
}\hfill \parbox[c]{0.48\textwidth}{ |
|
\centerline{b)} |
|
\centerline{\includegraphics[width=0.48\textwidth]{port_3b.eps}} |
|
} |
|
\caption{a) $A=3.0$, $L=2.5$, $C=0.3$; b) $A=1.6$, $L=0.5$, $C=0.2$.} |
|
\label{port_3} |
|
\end{figure} |
|
% |
|
|
|
Итоговый список топологически разных режимов динамики системы выглядит следующим образом: |
|
% |
|
\begin{enumerate} |
|
\item $C>C_\text{cr1}$. Особых точек нет. |
|
\item[2a.] $C_\text{cr1}>C>C_\text{cr2}$ и $C>C_\text{cr3}$. |
|
Существует четыре особых точки (\ref{four_stat_points_1}): два центра (вторая и третья точки) и два седла |
|
(первая и четвёртая точки). Существует две сепаратрисы, проходящие через первую и четвёртую точки, соответственно. |
|
Свободный поток между сепаратрисами направлен с востока на запад. Смотри рис.~\ref{port_2}a. |
|
\item[2b.] $C_\text{cr1}>C>C_\text{cr2}$ и $C<C_\text{cr3}$. |
|
Особые точки те же, что и в предыдущем случае, но свободный поток между сепаратрисами направлен с запада на восток. |
|
Смотри рис.~\ref{port_2}b. |
|
\item[3a.] $C_\text{cr2}>C>C_\text{cr3}$. Существует восемь особых точек: четыре центра (\ref{four_stat_points_1}) и |
|
четыре седла (\ref{four_stat_points_2}). Существует две сепаратрисы. Первая проходит через пятую и шестую точки, |
|
вторая~--- через седьмую и восьмую. Свободный поток между сепаратрисами направлен с востока на запад. |
|
Смотри рис.~\ref{port_3}a. |
|
\item[3b.] $C_\text{cr2}>C$ и $C<C_\text{cr3}$. Особые точки те же, что и в предыдущем случае, |
|
но свободный поток между сепаратрисами направлен с запада на восток. |
|
Смотри рис.~\ref{port_3}b. |
|
\end{enumerate} |
|
% |
|
Возможные бифуркации: 1~-- 2a ($C=C_\text{cr1}$), 2a~-- 2b ($C=C_\text{cr3}>C_\text{cr2}$), |
|
2a~-- 3a ($C=C_\text{cr2}>C_\text{cr3}$), 2b~-- 3b ($C=C_\text{cr2}<C_\text{cr3}$), |
|
3a~-- 3b ($C=C_\text{cr3}<C_\text{cr2}$), и, наконец, 2a~-- 2b~-- 3a~-- 3b ($C=C_\text{cr2}=C_\text{cr3}$). |
|
Фазовые портреты, соответствующие этим бифуркациям, приведены на рис.~\ref{Bifurcations}. |
|
|
|
% |
|
\begin{figure}[!htb] |
|
\parbox[c]{0.48\textwidth}{ |
|
\centerline{a)} |
|
\centerline{\includegraphics[width=0.48\textwidth]{b_2a-3a.eps}} |
|
}\hfill \parbox[c]{0.48\textwidth}{ |
|
\centerline{b)} |
|
\centerline{\includegraphics[width=0.48\textwidth]{b_2b-3b.eps}} |
|
}\\ |
|
\parbox[c]{0.48\textwidth}{ |
|
\centerline{c)} |
|
\centerline{\includegraphics[width=0.48\textwidth]{b_2a-2b.eps}} |
|
}\hfill \parbox[c]{0.48\textwidth}{ |
|
\centerline{d)} |
|
\centerline{\includegraphics[width=0.48\textwidth]{b_3a-3b.eps}} |
|
}\\ |
|
\parbox[c]{0.48\textwidth}{ |
|
\centerline{e)} |
|
\centerline{\includegraphics[width=0.48\textwidth]{b_1-2a.eps}} |
|
}\hfill \parbox[c]{0.48\textwidth}{ |
|
\centerline{f)} |
|
\centerline{\includegraphics[width=0.48\textwidth]{b_mega.eps}} |
|
} |
|
\caption{Бифуркации: |
|
a) 2a~-- 3a ($A=1.58$, $L=3.47$, $C=0.278805808052728$); |
|
b) 2b~-- 3b ($A=0.5$, $L=1.85$, $C=0.2001078840192$); |
|
c) 2a~-- 2b ($A=0.5$, $L=1.04$, $C=0.499332517637516$); |
|
d) 3a~-- 3b ($A=2.39$, $L=0.5$, $C=0.279980401812784$); |
|
e) 1~-- 2a ($A=1.0$, $L=1.0$, $C=1.0$); |
|
f) 2a~-- 2b~-- 3a~-- 3b ($A=0.75$, $L=1.560992$, $C=0.332753$). |
|
} |
|
\label{Bifurcations} |
|
\end{figure} |
|
% |
|
|
|
\section{Возмущение} |
|
Рассмотрим возмущённую задачу. В этом случае амплитуда меандра имеет вид |
|
% |
|
\begin{equation} |
|
a=a_0+\epsilon'\cos{(\Omega t+\phi)}, |
|
\label{Perturb} |
|
\end{equation} |
|
% |
|
где $\epsilon'$~--- амплитуда, $\Omega$~--- частота и $\phi$~--- фаза возмущения. |
|
Используя нормировки (\ref{norms}) получаем следующие возмущённые уравнения движения: |
|
% |
|
\begin{equation} |
|
\begin{aligned} |
|
\dot x&=\frac{1}{L\sqrt{1+A(\tau)^2\sin^2 x}\ch^2\theta}-C,\\ |
|
\dot y&=-\frac{A(\tau)\sin x(1+A(\tau)^2-A(\tau)y\cos x)}{L\left(1+A(\tau)^2\sin^2 x\right)^{3/2}\ch^2\theta}, |
|
\end{aligned}\qquad |
|
\begin{gathered} |
|
\theta=\frac{y-A(\tau)\cos x}{L\sqrt{1+A(\tau)^2\sin^2 x}},\\ |
|
A(\tau)=A_0+\epsilon\cos{(\omega\tau+\phi)}. |
|
\end{gathered} |
|
\label{dots_perturb} |
|
\end{equation} |
|
% |
|
Здесь введены обозначения |
|
% |
|
\begin{equation} |
|
A_0=a_0k,\qquad \epsilon=\epsilon' k,\qquad \omega=\frac{\Omega}{\psi_0 k^2}. |
|
\label{new_pert_params} |
|
\end{equation} |
|
% |
|
|
|
\section{Точки поворота} |
|
Точки поворота определяются условием $\dot x=0$. Для невозмущённой системы точки поворота лежат на линиях |
|
% |
|
\begin{equation} |
|
y_t=\pm L\sqrt{1+A^2\sin^2{x}}\operatorname{Arsech}{\sqrt{{LC\sqrt{1+A^2\sin^2{x}}}}}+A\cos x. |
|
\label{unpert_turnpoints} |
|
\end{equation} |
|
% |
|
В дальнейшем будем рассматривать линию только со знаком <<$+$>>. Эта линия существует для всех значений $x$, если выполняется условие $C\le 1/(L\sqrt{1+A^2})$. Разрывы, если они существуют, находятся вблизи точек $x=\pi/2,\,3\pi/2$. Из Рис.~\ref{port_2} и~\ref{port_3} видно, что линия точек поворота неразрывна для фазовых портретов 2b и 3b, из чего следует ограничение\footnote{Аналитически доказать это я не смог.} $C_\text{cr3}<1/(L\sqrt{1+A^2})$. |
|
|
|
В случае наличия возмущения линия превращается в полосу, состоящую из линий (\ref{unpert_turnpoints}) со значениями $A$ от $A_0-\epsilon$ до $A_0+\epsilon$. Производная $\partial y_t/\partial A$ имеет вид: |
|
% |
|
\begin{equation} |
|
\frac{\partial y_t}{\partial A}=d(x,A)=\cos x+g(x,A), |
|
\label{dytdA} |
|
\end{equation} |
|
% |
|
где $g(x,A)$ определяется как |
|
% |
|
\begin{equation} |
|
g(x,A)=\frac{AL \sin^2 x}{2\sqrt{1+A^2 \sin^2 x}}\left( |
|
2\operatorname{Arsech}\sqrt{{LC\sqrt{1+A^2\sin^2{x}}}}- |
|
\frac{1}{\sqrt{1-LC\sqrt{1+A^2\sin^2 x}}}\right). |
|
\label{g_xA} |
|
\end{equation} |
|
% |
|
Если $d(x,A)$ при некотором $x$ не меняет знак на интервале $A_0-\epsilon\le A\le A_0+\epsilon$, то $y_t$ меняется от $y_t(x,A_0-\epsilon)$ до $y_t(x,A_0+\epsilon)$, причём каждому значению $y$ соответствует единственное значение $A$ и, соответственно, два решения уравнения на фазу возмущения: $A_0+\epsilon\sin{t}=A$. Однако, могут существовать такие значения $x$, при которых уравнение $d(x,A)=0$ имеет решение в промежутке $A_0-\epsilon< A< A_0+\epsilon$. В этом случае одному значению $y$ может соответствовать более одного значения $A$. Ширина полосы будет определяться значениями |
|
$y_t$ в точке(ах) экстремума(ов) и на краях интервала значений $A$. |
|
|
|
\section{Итоги} |
|
Исходная модель имеет пять основных параметров: |
|
% |
|
\begin{enumerate} |
|
\item $\psi_0$ --- амплитуда функции тока; |
|
\item $\lambda$ --- характерная ширина течения; |
|
\item $a_0$ --- амплитуда меандра; |
|
\item $k$ --- волновое число меандра; |
|
\item $c$ --- фазовая скорость меандра; |
|
|
|
и три параметра возмущения: |
|
\item $\epsilon'$ --- амплитуда возмущения; |
|
\item $\Omega$ --- частота возмущения; |
|
\item $\phi$ --- фаза возмущения. |
|
\end{enumerate} |
|
% |
|
|
|
После нормировки эти параметры сводятся к трём основным: |
|
% |
|
\begin{enumerate} |
|
\item $L=\lambda k$ --- нормированая ширина течения; |
|
\item $A_0=a_0k$ --- нормированая амплитуда меандра; |
|
\item $C=\dfrac{c}{\psi_0 k}$ --- нормированая фазовая скорость меандра; |
|
|
|
и трём параметрам возмущения: |
|
\item $\epsilon=k\epsilon'$ --- нормированная амплитуда возмущения; |
|
\item $\omega=\dfrac{\Omega}{\psi_0 k^2}$ --- нормированная частота возмущения; |
|
\item $\phi$ --- фаза возмущения. |
|
\end{enumerate} |
|
% |
|
|
|
Нормированая функция тока имеет вид |
|
% |
|
\begin{equation} |
|
\psi(x,y)=-\th{\left(\frac{y-A(\tau)\cos x}{L\sqrt{1+A(\tau)^2\sin^2 x}}\right)}+Cy. |
|
\label{Psi_norm_itog} |
|
\end{equation} |
|
% |
|
Уравнения движения |
|
% |
|
\begin{equation} |
|
\begin{aligned} |
|
\dot x&=\frac{1}{L\sqrt{1+A(\tau)^2\sin^2 x}\ch^2\theta}-C,\\ |
|
\dot y&=-\frac{A(\tau)\sin x(1+A(\tau)^2-A(\tau)y\cos x)}{L\left(1+A(\tau)^2\sin^2 x\right)^{3/2}\ch^2\theta}, |
|
\end{aligned}\qquad |
|
\begin{gathered} |
|
\theta=\frac{y-A(\tau)\cos x}{L\sqrt{1+A(\tau)^2\sin^2 x}},\\ |
|
A(\tau)=A_0+\epsilon\cos{(\omega\tau+\phi)}. |
|
\end{gathered} |
|
\label{dots_final_itog} |
|
\end{equation} |
|
% |
|
|
|
\end{document} |