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이중진자 운동 시각화
물리학 II · Double Pendulum — Chaos & Damping
프리셋:
규칙 운동
혼돈 운동
감쇠 강조
▶ 재생
⏸ 정지
추를 드래그하여 각도 설정
운동에너지 K
0.0000 J
위치에너지 U
0.0000 J
역학적 에너지 E
0.0000 J
에너지 이력 · K(파랑) / U(주황) / E(초록) — 감쇠가 있으면 E가 감소한다
패널
제어
감쇠·궤적
운동방정식
초기 각도 (정지 상태에서 조절)
θ₁
(1차 진자)
120°
θ₂
(2차 진자)
120°
물리 파라미터
L₁ (1차 길이)
1.0 m
L₂ (2차 길이)
1.0 m
m₁ (1차 질량)
1.0 kg
m₂ (2차 질량)
1.0 kg
재생 속도
0.25×
0.5×
1×
2×
실시간 값
θ₁
—
θ₂
—
각속도 ω₁
—
각속도 ω₂
—
경과 시간
—
E / E₀
—
↺ 리셋
⏯ 재생 / 정지
공기저항 (속도 비례 항력)
b₁
0.00
b₂
0.00
피벗 마찰 (쿨롱 마찰)
μ₁
0.00
μ₂
0.00
이상계 (감쇠 0)
감쇠 적용
이동 경로 (궤적)
1차 진자 궤적
2차 진자 궤적
궤적 길이
8 s
궤적 지우기
관찰 포인트
— 1차 진자(파랑)의 궤적은 피벗을 중심으로 한 원호에 갇히지만, 2차 진자(보라)의 궤적은 초기 각도가 크면 예측 불가능한
혼돈(chaos)
패턴을 그린다. 초기 각도를 0.1°만 바꿔 다시 재생해 보라.
일반화 좌표
θ₁, θ₂ : 각 진자의 연직 기준 각도
x₁ = L₁sinθ₁, y₁ = −L₁cosθ₁
x₂ = x₁ + L₂sinθ₂, y₂ = y₁ − L₂cosθ₂
질량 행렬 (라그랑주 역학)
M₁₁ = (m₁+m₂)L₁²
M₁₂ = M₂₁ = m₂L₁L₂cos(θ₁−θ₂)
M₂₂ = m₂L₂²
일반화 힘 (중력 + 원심 결합항)
C₁ = −m₂L₁L₂ω₂²sin(θ₁−θ₂) − (m₁+m₂)gL₁sinθ₁
C₂ = +m₂L₁L₂ω₁²sin(θ₁−θ₂) − m₂gL₂sinθ₂
감쇠 항
D₁ = −b₁ω₁ − μ₁·sgn(ω₁)
D₂ = −b₂ω₂ − μ₂·sgn(ω₂)
b: 공기저항(점성), μ: 피벗 쿨롱 마찰
연립 방정식 → 각가속도
M·[α₁; α₂] = [C₁+D₁; C₂+D₂]
2×2 크래머 공식으로 매 스텝 α₁, α₂ 계산
수치 적분 · RK4
dt = 1/240 s, 4차 룽게-쿠타
감쇠 = 0일 때 에너지 편차 < 0.001% (60 s)
에너지
K = ½m₁L₁²ω₁² + ½m₂[L₁²ω₁² + L₂²ω₂²
+ 2L₁L₂ω₁ω₂cos(θ₁−θ₂)]
U = −(m₁+m₂)gL₁cosθ₁ − m₂gL₂cosθ₂ + C
주의
— 이중진자는 결정론적 계이지만 초기조건에 극도로 민감한
혼돈계
다. 이 시뮬레이션은 수치 근사이며, 큰 각도에서 장시간 결과는 실제 진자의 예측이 아니라 혼돈적 거동의 시연이다.