Symulacje w fizyce

Fizycy badają siły Przyrody i konsekwencje ich działania. Zjawiska, które obserwujemy na co dzień, lub w laboratoriach, są konsekwencją praw fizyki obowiązujących w mikroświecie. Żyjemy pod ich wpływem, ale bardzo trudno jest nam je sobie wyobrazić.

Fizycy często używają symulacji, aby badać konsekwencje różnych założeń, dotyczących oddziaływania atomów i cząstek. Symulacje są przydatne także w edukacji: wiele stosunkowo trudnych pojęć i zjawisk można łatwiej zrozumieć na podstawie ich wizualizacji.

Zacznijmy od przykładu symulacji z zasobów fizyki na Khan Academy. Ponieważ te symulacje mają wspierać naukę fizyki, są prostsze i mniej dokładne od symulacji wykorzystywanych w badaniach naukowych.

Celem tej symulacji jest wizualizacja linii sił pola magnetycznego wokół magnesu stałego. Za pomocą myszy, możemy obejrzeć wizualizację pod różnymi kątami. Zwróć uwagę, że ta symulacja jest doskonałym przykładem uproszczeń, które związane są z budową modelu, na którym opiera się symulacja. Linie sił pola magnetycznego nie zaczynają się i nie kończą wyłącznie w obu końcach magnesu sztabkowego, a na całej jego powierzchni. Uwzględnienie tych własności spowodowałoby jednak, że wizualizacja byłaby znacznie mniej czytelna, niż jest teraz, co utrudniłoby jej wykorzystanie jako pomocy dydaktycznej.

Poniższa symulacja ilustruje magnes, wokół którego rozsypano opiłki żelaza. Orientację magnesu możesz zmieniać za pomocą strzałek w prawo/w lewo. Możesz także przeciągnąć magnes myszką.

Studia filmowe i producenci gier komputerowych coraz częściej wykorzystują efekty specjalne oparte na symulacjach wykorzystujących prawa fizyki. Popularne programy zawierają nawet specjalny silnik do fizyki (czyli bibliotekę programów służących symulacji działania praw fizyki w różnych sytuacjach).

Przyjrzyjmy się symulacjom z zasobów Pixar w Pigułce na Khan Academy, które są uproszczoną wersją narzędzi dostępnych w silniku służącym do symulacji fizyki.

Zadaniem poniższej symulacji jest przedstawienie wody, która wypełnia zbiornik, za pomocą modelu, w którym woda traktowana jest jak zbiór cząstek o własnościach, które można zmieniać. Spróbuj stworzyć za pomocą tego programu realistycznie wyglądającą symulację, zmieniając własności cząstek i dobierając odpowiednio przyspieszenie grawitacyjne.

Kolejna symulacja służy wygenerowaniu realistycznych ujęć fajerwerków. W tym programie możesz zmieniać aż 16 parametrów, kontrolujących siły działające na cząstki, ich własności oraz miejsce, z którego je wystrzelono. Czy Twoja symulacja wygląda realistycznie?

Tego rodzaju symulacje używane są często do tworzenia realistycznie wyglądających efektów specjalnych. Pixar ma własną bibliotekę animacji 3D, która jest rozwijana z każdym kolejną produkcją filmu animowanego, ale każdy może skorzystać z otwartego dostępu do darmowego oprogramowania, takiego jak Blender, by spróbować swoich sił w animacjach komputerowych opartych na prawach fizyki.

Mechanika kwantowa i kwantowa teoria pola opisują oddziaływania cząstek, będących elementarnymi składnikami materii. Cząstki te są tak małe, że praktycznie niemożliwe jest obserwacja tych oddziaływań bezpośrednio, w sposób, do którego przyzwyczailiśmy się, badając zjawiska makroskopowe. W fizyce kwantowej wykorzystuje się symulacje np. do badania oddziaływań kwarków i gluonów, które są elementarnymi składnikami materii jądrowej.

Ta symulacja jest wizualizacją pary kwark-antykwark znajdującej się w próżni:

🙋🏽🙋🏻‍♀️🙋🏿‍♂️Czy masz jakieś pytania na ten temat? Chętnie na nie odpowiemy — wystarczy, że zadasz pytanie w poniższym obszarze pytań!