Проекты

Волновой маятник: разработка компьютерной и механической модели маятника Чеботаева

Работа призёра открытой городской научно-практической конференции «Инженеры будущего» в секции «Прикладная физика» среди работ учащихся 10−11 классов

Направление работы: Прикладная физика, Теоретическая физика
Авторы работы: ГБОУ «Школа на Яузе»
Предметы: Физика, Информатика
Классы: 10 класс
Мероприятия: Открытая городская научно-практическая конференция «Инженеры будущего» 18−20 апреля 2019 года

Цель

Разработать и создать механическую демонстрационную экспериментальную установку (МДЭУ) маятника Чеботаева;

Создать универсальную компьютерную модель волнового маятника.

Задачи

  • Создать механическую модель ансамбля маятников.
  • Наладить экспериментальную установку для получения необходимых эффектов.
  • Создать 3D-модель волнового маятника.
  • Изучить и объяснить закономерности, возникающие в ансамбле несвязанных осцилляторов.

Описание

В ходе выполнения проекта была воссоздана МДЭУ, использовавшаяся В.П. Чеботаевым для исследования когерентных откликов типа эха в ансамблях из конечного числа элементов с заданными частотами. Однако авторы пришли к выводу, что система, использовавшаяся в работах создателей волнового маятника, оказалась несовершенной, так как колебания маятников в ней являются затухающими (ведь трение в точках подвеса неизбежно приводит к затуханию колебаний). Поэтому авторы решили попробовать создать идеальную физическую систему ансамбля маятников.

Для создания механической модели была использована сборно-разборная конструкция из алюминиевых труб и уголков, которая закреплялась встроенными крепёжными винтами одним шестигранным ключом. Такая конструкция позволяет за несколько минут разобрать установку и подготовить её к транспортировке, а потом также за несколько минут собрать МДЭУ для демонстрации на новом месте.

После успешного выполнения этой задачи авторами была создана 3D-модель волнового маятника. Также после ряда успешных симуляций был написан скрипт, добавляющий цвет осцилляторам.

Итогом работы явилась компьютерная модель ансамбля маятников, используя которую (и внеся в неё небольшие изменения, например, добавив электромагнитное поле), можно будет провести идеальный физический эксперимент. Подобная система интересна для исследования малого числа частиц, квантовых осцилляторов, изучения статических свойств эха в квантовых и классических системах при детерминированном наборе частот.

Результат

Итогом работы стало создание компьютерной 3D-модели маятника В.П. Чеботаева, которая позволила в наглядной форме и в современных реалиях отразить и представить идею академика В.П. Чеботаева, создавшего волновой маятник более 40 лет назад. Представленная компьютерная 3D-модель отразила совместное качание ансамбля маятников с эффектами переходов от упорядоченного до совершенно хаотического состояния и обратно, что служит примером самоорганизации сложных систем (в том числе в квантовых системах).

 

Оснащение и оборудование

Unity 3D, Microsoft Visual Studio.

Материалы для создания механической модели маятника.

Перспективы использования результатов работы

Представленные модели можно использовать для исследования различных волновых эффектов, а также для популяризации теоретических и практических научных разработок в этой области.

Сотрудничество с вузом/учреждением при создании работы

МГУ им. М. В. Ломоносова.

Награды/достижения

Призёр МГК 2019 (секция Science-Art).

Призёр Открытой московской конференции школьников «Потенциал» (секция «Физика. Экспериментальные методы исследования физических явлений) Призёр школьной научно-практической конференции школьников «Дети – творцы XXI века».

Особое мнение

«Проект «Инженерный класс в московской школе» позволил мне уделить больше времени любимым предметам, получить ценные знания и применить их на практике, а также реализовать свои проекты»