Пред.
След.
Макеты страниц
Распознанный текст, спецсимволы и формулы могут содержать ошибки, поэтому с корректным вариантом рекомендуем ознакомиться на отсканированных изображениях учебника выше Также, советуем воспользоваться поиском по сайту, мы уверены, что вы сможете найти больше информации по нужной Вам тематике ДЛЯ СТУДЕНТОВ И ШКОЛЬНИКОВ ЕСТЬ
ZADANIA.TO
Покажем, как оценить скорость диффузии Арнольда на примере системы, описываемой отображением (6.1.12). Мы рассмотрим три различных режима диффузии с последовательно уменьшающейся скоростью. Первый режим соответствует диффузии по $\alpha$ вдоль толстого стохастического слоя в плоскости ( $\beta, y$ ). Диффузия происходит вследствие связи со случайным движением по $y$. Второй режим аналогичен первому, за исключением того, что диффузия по $\alpha$ идет вдоль тонкого стохастического слоя $y$-резонанса. Наконец, третий режим отвечает диффузии вдоль резонанса связи. Найдем прежде всего гамильтониан для отображения (6.1.12). Қак и в п. 3.1в, преобразуем разностные уравнения (6.1.12) в дифференциальные с помощью $\delta$-функции. В результате получаем неавтономный гамильтониан с двумя степенями свободы: где Диффузия в толстом слое. Выберем начальные значения $\beta$ и $у$ внутри толстого стохастического слоя, а $\alpha$ и $x$ вблизи центра целого резонанса. При отсутствии связи между степенями свободы ( $\mu=0$ ) движение в плоскости ( $\alpha, x$ ) происходит по инвариантной кривой (рис. 6.5). При включении связи происходит медленная диффузия по $\alpha$ и $x$. Перейдем к новым переменным $\theta=k_{x} x, \varphi=k_{y} y, \bar{\alpha}=\alpha / k_{x}$, $\bar{\beta}=\beta / k_{y}$ и представим гамильтониан $H$ в виде суммы $H=H_{x}+H_{y}$, где Здесь для удобства мы сохранили старые переменные $\alpha$ и $\beta$ в новом гамильтониане. В (6.2.6б) использовано приближение — In $\cos \alpha \approx \alpha^{2} / 2$ при $\alpha^{2} \ll 1, \delta_{1} \approx 1$ при $\omega_{x}^{2}=4 a h k^{2} \ll 1$, а $\varphi$ считается явной функцией $n$. Последнее допущение наиболее серьезно, поскольку при этом пренебрегается влиянием связи на движение по $y$. В результате мы получили два неавтономных гамильтониана с одной степенью свободз каждый ${ }^{1}$ ). Теперь можно решить уравнение движения независимой подсистемы (6.2.6a) и найти «стохастическую накачку» $\varphi(n)$. Подставив ее в (6.2.6б), найдем движение в плоскости ( $\alpha, \theta$ ), которое и дает диффузию Арнольда. В толстом слое, где имеется много перекрывающихся резонансов, фаза $\varphi$ хаотизуется за время порядка одной итерации отображения ${ }^{2}$ ). Поэтому с хорошей точностью можно считать, что после- довательныезначения фазы ч являются случайными и независимыми, причем переход между ними имеет характер «скачка». Изменение $H_{x}$ определяется уравнением Гамильтона Используя (6.2.6б), можно записать производную в виде Первый член в выражении справа описывает малые ограниченные колебания. Считая колебания по $\theta$ малыми где $\omega_{x}=2 \pi / T=2 k_{x}\left(a_{x} h\right)^{1 / 2}$, проинтегрируем второй член в уравнении (6.2.7) по периоду отображения: При $\omega_{x} \ll 1$ подынтегральное выражение постоянно, поэтому Возводя это выражение в квадрат и усредняя как по $\chi_{0}$, так и по $\varphi$, получаем ${ }^{\mathbf{1}}$ ) В результате находим скорость диффузии в толстом слое С изменением $H_{x}$ в процессе диффузии параметры $\mu$ и $\omega_{x}$ остаются постоянными. Величина же $\theta_{0}$ растет с $H_{x}$, а вместе с ней и скорость диффузии: На рис. $6.8, a-в$ теоретические значения $D_{1}$ (сплошные линии) сравниваются с результатами численного моделирования. Начальные условия для 100 траекторий были одинаковыми в плоскости $(\alpha, x)$ и случайными в пределах толстого слоя плоскости $(\beta, y)$. Для каждой траектории просчитывалось 500 итераций отображения. Вычислялись среднеквадратичные значения безразмерной энергии $\left\langle\alpha^{2}\right\rangle=\left[h^{-2}\left\langle\left(\Delta H_{x}\right)^{2}\right\rangle n\right]^{-1 / 2}$, которые и сравнивались с теорией. На рис. 6.8 каждый треугольник представляет результат усреднения четырех независимых (по начальным условиям) вариантов счета. Согласие с теорией достаточно хорошее, хотя она и несколько завышает систематически скорость диффузии. Это разэичие объясняется, возможно, тем, что значения фазы $\varphi(m)$ не полностью независимы. Рис. 6.8. Диффузия в толстом слое (по данным работы [406]). Диффузия в тонком слое. В этом случае начальные условия на плоскости $(\alpha, x)$ мы выбираем, как и в толстом слое, вблизи центра резонанса, а в плоскости $(\beta, y)$ — в тонком стохастическом слое резонанса. Как и в толстом слое, диффузия в плоскости $(\alpha, x)$ обусловлена слабой связью со стохастическим движением в плоскости $(\beta, y)$. Однако скорость диффузии оказывается значительно меньше. Действуя прежним методом, мы оставим теперь, однако, в функции $\delta_{1}(n)$ в (6.2.6a) только члены с $q=0$ и $q=1$ из разложения (6.2.5) [ср. (4.1.26) ]. Используя, кроме того, приближение $-\ln \cos \beta \approx \beta^{2} / 2, \beta^{2} \sim a_{y} / h \ll 1$, запишем гамильтониан (6.2.6а) в виде Здесь первые два члена определяют сепаратрису резонанса в плоскости $(\beta, y)$, а третий приводит к образованию тонкого стохастического слоя в ее окрестности. Чтобы найти функцию $\varphi(n)$ для (6.2.11), будем исходить из уравнения (6.2.7), пренебрегая первым членом в его правой части: где $\theta(n)$ определяется соотношением (6.2.8). Примем, далее, что на одном полупериоде фазовых колебаний $\varphi(n)$ определяется движением по невозмущенной сепаратрисе (см. п. 1.3а) ${ }^{1}$ ): Обозначив $s=\omega_{y} n, Q_{0}=\omega_{x} / \omega_{y}$ и записав фазу $\chi_{0}$ в (6.2.8) как $\chi_{0}=Q_{0} s_{0}-\pi / 2$, получим из (6.2.12) где При $\theta_{0} \ll 1$ и мы приходим к интегралу Мельникова-Арнольда (п. 3.5а): который понимается в смысле его среднего значения по $s_{1}$ при $s_{1} \rightarrow \infty$. В рассматриваемом случае $m=2$, и мы получаем где, согласно (3.5.18), В результате находим Из свойств сепаратрисного отображения (п. 3.5б) мы знаем, что величина $Q_{0} S_{0}$ хаотизуется на полупериоде фазовых колебаний $T_{l j}$. Усредняя по фазе $Q_{0} s_{0}$, получаем где На рис. 6.9 приведен график функции $F\left(Q_{0}\right)$ с максимумом при $Q_{0} \approx 1,3$ и довольно резким падением в обе стороны от максимума ${ }^{1}$ ). Так, например, при изменении $Q_{0}$ в 4 раза скорость диффузии уменьшается на два порядка по сравнению с максимальной. Для вычисления коэффициента диффузии необходимо найти средний полупериод $\left\langle T_{y}\right\rangle$ колебаний в тонком стохастическом слое. Вблизи сепаратрисы где $w=\left(H_{y}-H_{s}\right) / H_{s} \ll 1$, а $H_{s}=2 a_{y}$ — энергия на сепаратрисе. Чириков $[70]$ показал, что $\left\langle T_{y}\right\rangle$ можно найти, усреднив $T_{y}(w)$ по $w$ в пределах стохастического слоя $|w| \leqslant w_{1}$. Это дает При слабой связи $\mu \ll a_{y}$ для полуширины стохастического слоя $w_{1}$ можно использовать соотношение (4.2.23). или с учетом (6.2.19) и (6.2.21) На рис. 6.10 эта теоретическая зависимость (сплошные линии) сравнивается с результатами численных экспериментов (треугольники). При счете использовалось 100 траекторий с одинаковыми начальными условиями в плоскости ( $\alpha, x$ ) и слегка различными в плоскости $(\beta, y)$ внутри тонкого стохастического слоя. Теоретические кривые строились по формуле (6.2.23) с эмпирическим зна- Рис. 6.9. Функция (6.2.20) для диффузии в тонком слое.
|
1 |
Оглавление
|