Кузнецов Сергей Петрович

Выводятся амплитудные уравнения для системы двух неавтономных осцилляторов Ван-дер-Поля, которая была предложена недавно в качестве простого и допускающего реализацию в физическом эксперименте примера системы с гиперболическим хаотическим аттрактором. Показано, что при переходе к приближенному описанию в терминах амплитудных уравнений основные характеристики гиперболической динамики сохраняются. Для двух связанных элементов, каждый из которых имеет гиперболический хаотический аттрактор, исследуется переход к режиму синхронного хаоса при увеличении параметра диссипативной связи. Обнаружено, что характерные для перехода к хаотической синхронизации эффекты, такие как изрешечивание бассейна симметричного аттрактора (riddling) и «пузырящийся» аттрактор (bubbling), проявляются в данном случае специфическим образом и присутствуют в узкой области параметра связи. Обсуждается также устройство многомерного аттрактора рассматриваемой системы в области до порога синхронизации.

We discuss two mechanical systems with hyperbolic chaotic attractors of Smale – Williams type. Both models are based on Froude pendulums. The first system is composed of two coupled Froude pendulums with alternating periodic braking. The second system is Froude pendulum with time-delayed feedback and periodic braking. We demonstrate by means of numerical simulations that the proposed models have chaotic attractors of Smale – Williams type. We specify regions of parameter values at which the dynamics corresponds to the Smale – Williams solenoid. We check numerically the hyperbolicity of the attractors.

Examples of one-dimensional lattice systems are considered, in which patterns of different spatial scales arise alternately, so that the spatial phase over a full cycle undergoes transformation according to an expanding circle map that implies the occurrence of Smale–Williams attractors in the multidimensional state space. These models can serve as a basis for design electronic generators of robust chaos within a paradigm of coupled cellular networks. One of the examples is a mechanical pendulum system interesting and demonstrative for research and educational experimental studies.

The article considers the Chaplygin sleigh on a plane in a potential well, assuming that an external potential force is supplied at the mass center. Two particular cases are studied in some detail, namely, a one-dimensional potential valley and a potential with rotational symmetry; in both cases the models reduce to four-dimensional differential equations conserving mechanical energy. Assuming the potential functions to be quadratic, various behaviors are observed numerically depending on the energy, from those characteristic to conservative dynamics (regularity islands and chaotic sea) to strange attractors. This is another example of a nonholonomic system manifesting these phenomena (similar to those for Celtic stone or Chaplygin top), which reflects a fundamental nature of these systems occupying an intermediate position between conservative and dissipative dynamics.

It is shown that on the basis of a cellular neural network (CNN) composed, e.g., of six cells, it is possible to design a chaos generator with an attractor being a kind of Smale – Williams solenoid, which provides chaotic dynamics that is rough (structurally stable), as follows from respective fundamental mathematical theory. In the context of the technical device, it implies insensitivity to small variations of parameters, manufacturing imperfections, interferences, etc. Results of numerical simulations and circuit simulation in the Multisim environment are presented. The proposed circuit is the first example of an electronic system where the role of the angular coordinate for the Smale – Williams attractor is played by the spatial phase of the sequence of patterns. It contributes to the collection of feasible systems with hyperbolic attractors and thus promotes filling with real content and promises practical application for the hyperbolic theory, which is an important and deep sector of the modern mathematical theory of dynamical systems.

Предложен новый класс систем с гиперболическими хаотическими аттракторами. Принцип их построения основан на использовании подсистем, между которыми происходит резонансная передача возбуждения из-за отличия частот малых и больших (релаксационных) колебаний в целое число раз. Передача возбуждения сопровождается преобразованием фазы, соответствующим растягивающему отображению окружности. В качестве примера мы рассматриваем систему, в которой возникает соленоид Смейла-Вильямса, основанную на двух связанных осцилляторах Бонхоффера - ван дер Поля. Из-за приложенной модуляции параметра, управляющего бифуркацией Андронова-Хопфа, осцилляторы возбуждаются и затухают поочередно. При подходящем выборе модуляции в конце стадии активности возникают релаксационные колебания, основная частота которых в целое число M = 2,3,4 ... раз меньше, чем частота малых колебаний. Когда осциллятор-партнер входит в активную стадию, его колебания начинают стимулироваться гармоникой M релаксационных колебаний, так что преобразование фазы колебаний за период модуляции соответствует M-кратному растягивающему отображению окружности. В фазовом пространстве отображения Пуанкаре это соответствует аттрактору типа Смейла-Вильямса, построенного с M-кратным увеличением числа витков на каждом шаге отображения. Представлены результаты численных исследований, подтверждающие существование гиперболических аттракторов в определенных областях параметров, в том числе временные реализации переменных, портреты аттракторов, диаграммы, иллюстрирующие преобразование фазы в соответствии с растягивающим отображением окружности, показатели Ляпунова, карты динамических режимов на плоскостях параметров. Гиперболическая природа аттракторов проверена численными вычислениями, которые подтвердили отсутствие касаний устойчивых и неустойчивых многообразий траекторий аттрактора ("критерий углов"). Предложена электронная схема, реализующая принцип получения гиперболического хаоса, и ее функционирование продемонстрировано с помощью программного пакета Мультисим.

Предложена неавтономная система с однородно гиперболическим аттрактором типа Смейла–Вильямса в сечении Пуанкаре, в которой генерация осуществляется на основе эффекта гибели колебаний. Представлены результаты численного исследования системы: итерационные диаграммы для фаз и портреты аттрактора в стробоскопическом сечении Пуанкаре, спектры плотности мощности, показатели Ляпунова и их зависимости от параметров, карта режимов. Выполнена проверка гиперболичности аттрактора, основанная на критерии углов.

Исследуются странные нехаотические автоколебания в диссипативной системе, состоящей из трех механических ротаторов, возбуждаемых постоянным вращательным моментом силы, приложенной к одному из них. Вынуждающая внешняя сила не является колебательной. Несоизмеримые частоты в колебательно-вращательной динамике системы возникают благодаря иррациональному соотношению диаметров задействованных элементов. Показано, что, при выходе системы из положения устойчивого равновесия, в ней могут возникать двух- и трехчастотные квазипериодические, хаотические, а также странные нехаотические автоколебания. Результаты работы подтверждаются численным расчетом ляпуновских показателей, фрактальных размерностей, спектральным анализом, а также специальными методами диагностики существования странной нехаотической динамики: методом рациональных аппроксимаций и анализом фазовой чувствительности аттрактора.

Обсуждаются примеры систем механики, где возможны квазипериодические движения, обусловленные иррациональным отношением радиусов вращающихся элементов, из которых составлена система. Для маятниковой системы с фрикционной передачей вращения между элементами в консервативном и диссипативном случае отмечается сосуществование бесконечного числа устойчивых неподвижных точек, а в автоколебательном случае — наличие множества аттракторов в виде предельных циклов, а также квазипериодических ротационных режимов. При квазипериодической динамике частоты спектральных составляющих зависят от параметров задачи, но имеется фиксированное иррациональное соотношение между частотами компонент, обусловленное геометрическими размерами элементов.

Сформулированы уравнения и проведено численное исследование хаотических автоколебаний в системах, построенных на основе тройного шарнирного механизма Тёрстона–Уикса–Ханта–Маккея. Рассмотрены варианты систем с голономной механической связью трех ротаторов и систем, где три ротатора взаимодействуют посредством потенциальных сил. Представлены и обсуждаются характеристики хаотических режимов (показатели Ляпунова, спектры мощности). Хаотическая динамика исследованных моделей ассоциируется с гиперболическим аттрактором, по крайней мере, при условии относительно небольшой надкритичности автоколебательного режима, что следует из проведенного численного анализа распределений углов пересечения устойчивых и неустойчивых многообразий принадлежащих аттрактору фазовых траекторий. В системах на базе ротаторов с потенциальным взаимодействием, начиная с некоторого уровня надкритичности, гиперболичность нарушается.

Представлен обзор результатов исследования плоской задачи о падении пластинки в сопротивляющейся среде на основе моделей в виде обыкновенных дифференциальных уравнений относительно небольшого числа переменных. Введена в рассмотрение обобщенная модель, в рамках которой с использованием одной и той же системы безразмерных переменных и параметров удается провести сравнительный анализ динамического поведения для моделей Козлова, Танабе – Канеко, Бельмонте – Айзенберга – Мозеса и Андерсена – Песавенто – Ванга. Показано, что общая структура устройства пространства параметров для разных моделей имеет определенное сходство, обусловленное, очевидно, одинаковой присущей симметрии и общей природой вовлеченных феноменов нелинейной динамики (неподвижные точки, предельные циклы, аттракторы, бифуркации). Для задачи о движении тела эллиптического профиля в вязкой среде в присутствии циркуляции вектора скорости и приложенного постоянного вращающего момента обнаружено присутствие странного аттрактора Лоренца в трехмерном пространстве обобщенных скоростей.

Показана возможность реализации аттракторов типа Смейла–Вильямса с разной кратностью растяжения угловой координаты $n=3,\,5,\,7,\,9,\,11$ у отображений, описывающих эволюцию параметрически возбуждаемых паттернов стоячих волн на нелинейной струне за период модуляции накачки при попеременном возбуждении мод с отношением длин волн $1:n$.

Описан один из возможных сценариев рождения или разрушения странных гиперболических аттракторов на примере соленоида Смейла—Вильямса. Механизм перехода, наблюдаемого при изменении управляющего параметра, заключается в слиянии орбит, принадлежащих аттрактору с находящимися с ними в однозначном соответствии орбитами, принадлежащими неустойчивому инвариантному множеству на границе бассейна притяжения, через бифуркации седло-узлового типа. Переход происходит не одномоментно, а занимает интервал конечной ширины по управляющему параметру. В расширенном пространстве переменных состояния и управляющего параметра это можно рассматривать как трансформацию устойчивого и неустойчивого соленоида друг в друга. Обсуждается ряд модельных систем, демонстрирующих указанный сценарий, — это специально сконструированные дискретные отображения и физически реализуемая система связанных поочередно возбуждаемых неавтономных осцилляторов ван дер Поля. Проведен подробный анализ присущих сценарию свойств, указаны связанные с ним статистические и скейлинговые закономерности.

Рассматривается возможность хаотической динамики, ассоциирующейся с гиперболическим аттрактором типа Смейла–Вильямса, в задаче о механических колебаниях неоднородной струны с нелинейной диссипацией при параметрическом возбуждении мод на частотах $\omega$ и $3\omega$, когда накачка попеременно осуществляется колебаниями силы натяжения струны на частотах $2\omega$ и $6\omega$.

Обсуждаются условия, при которых в ансамбле взаимодействующих осцилляторов может наблюдаться сценарий Ландау–Хопфа последовательного рождения многочастотных режимов. Представлена модель в виде сети из пяти глобально связанных осцилляторов, характеризующихся разной степенью возбуждения. Даны иллюстрации рождения торов все более высокой размерности в результате последовательных квазипериодических бифуркаций Хопфа (Неймарка–Сакера).

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.

Предложено простое двумерное отображение, параметрами которого являются непосредственно след и якобиан матрицы возмущений неподвижной точки. На плоскости параметров оно демонстрирует основные универсальные бифуркационные сценарии: переход к хаосу через удвоения периода, картину квазипериодических колебаний и языков Арнольда. Продемонстрирована возможность реализации такого отображения в радиофизическом устройстве.

Предложена неавтономная потоковая система с гиперболическим аттрактором, которая может послужить основой для последующей разработки реальных систем и устройств, демонстрирующих структурно устойчивую хаотическую динамику. Отправной точкой является отображение сферы в себя, построенное в виде четырех последовательно выполняемых геометрически наглядных непрерывных преобразований. Проведено численное исследование этого отображения и показано, что в определенной области параметров оно имеет аттрактор типа Плыкина. С учетом присущего этому аттрактору свойства структурной устойчивости предпринята модификация модели. Проведена также замена переменных с переходом к представлению мгновенных состояний точками на плоскости. В результате получена в явном виде система двух неавтономных дифференциальных уравнений первого порядка с гладкой зависимостью коэффициентов от динамических переменных и времени, которая в сечении Пуанкаре имеет аттрактор типа Плыкина на плоскости. Представлены результаты численного исследования отображения сферы и потоковой системы, в том числе портреты аттракторов, показатели Ляпунова, оценки размерности. Обоснование гиперболической природы аттрактора для отображения сферы и системы с непрерывным временем опирается на компьютерную процедуру проверки так называемого критерия конусов, с привлечением ряда методических приемов, которые могут быть полезны при проверке гиперболичности аттракторов также и в других системах.

В настоящей работе представлен пример системы, динамика которой укладывается в концепцию «критического квазиаттрактора». Наряду с кратким обзором ранее полученных результатов, приведены новые, включающие иллюстрации скейлинга бассейнов притяжения элементов критического квазиаттрактора, ренормгрупповой анализ в присутствии аддитивного некоррелированного шума, определение универсальной константы перенормировки интенсивности шума, иллюстрации инициированныхшумом переходов между сосуществующими аттракторами.