Компьютерные технологии моделирования физических процессов

Компьютерные технологии моделирования физических процессов

Великий путь познания человеком окружающего мира претерпел множество изменений, как по содержанию, так и по методам обретения знаний. Еще со времен Демокрита и Эпикура прослеживаются умозрительные образы атомов и способов их соединения, которые являются попыткой великих философов создать механическую модель строения вещества.

    В мире компьютерного моделирования

    Модель и моделирование

    Моделирование – это один из важнейших инструментов познания, а модель отражает основные признаки реального объекта. Для каждого объекта – явления или процесса может быть создано несколько типов моделей, в зависимости от целей, которые поставлены исследователем. Чем детальнее ему предстоит изучить данный объект, тем более сложную структуру должна иметь модель.

    Иначе говоря, имеет место процесс замещения реального объекта (оригинала) объектом — моделью с целью получения информации о свойствах оригинала.

    Вся история становления физической науки основана на создаваемых моделях, которые по мере расширения наших знаний сменяются новыми, более точными моделями изучаемого объекта.

    Примером может послужить развитие взглядов на природу света: когда на смену корпускулярной модели приходит волновая, затем электромагнитная теория природы света и, наконец, корпускулярно-волновой дуализм. Весьма показательно в этом плане и формирование представлений о строении атома, об элементарных частицах и т. д.

    Охлаждение электрического оборудования

    Охлаждение электрического оборудования

    Познавая окружающий мир, человек создает новые, все более абстрактные модели, теряющие внешнее сходство с реальными объектами, но отвечающие воззрениям на объект на данном этапе развития науки.

    Восстановление геолого-литологического строения грунтов на основании инженерно-геологических скважин

    Восстановление геолого-литологического строения грунтов на основании инженерно-геологических скважин

    В роли модели могут быть самые разные объекты: рисунки, схемы, формулы, графики и компьютерные программы и т. д. Если реальный объект замещен математическими формулами, говорят о математическом моделировании, если — на алгоритмы или компьютерные программы, говорят о компьютерном моделировании.

    Компьютерное моделирование вселенной

    От простого к сложному

    Первоначально господствующее положение в системе естественных наук занимали натурные модели: макет строения глаза, Солнечной системы, макет атомной электростанции. Они представляют собой уменьшенные копии или аналоги реальных объектов – предметов, процессов или явлений. Такие модели сохраняют геометрические и физические свойства оригинала, доступны тактильному восприятию. Иначе их называют предметными.

    Проникновение в более глубокие аспекты физических процессов вызвало к жизни необходимость построения более сложных моделей, разновидностями которых являются математические и компьютерные модели.

    Математическая модель объекта

    Формулы, уравнения, системы уравнений, описывающие физическую модель с помощью математических символов, называют математической моделью объекта.

    Сложность математической модели зависит от сложности описываемого с ее помощью физического процесса. Численные методы решения уравнений и обработка их результатов возможна лишь на компьютере. Этот метод получил название компьютерного математического моделирования. Этот метод применяют для анализа, выбора оптимальных решений и прогнозирования дальнейшего развития явления или процесса.

    Глобальные процессы, происходящие в природе — землетрясения, таяния ледников, образование озонных дыр, наводнения и другие физические явлениятребуют глубокого изучения и долгосрочного прогнозирования. Космические исследования, управление земельными ресурсами; оптимизация процессов, происходящих в такой жизненно важной для человеческой цивилизации, отрасли как теплоэнергетика невозможно без создания их математических моделей.

    Именно математические модели лежат в основе конструирования современной космической науки и техники, а также в других фундаментальных исследованиях космонавтики.

    Симбиоз математических моделей и программные средства компьютерной техники с её непрерывно возрастающей вычислительной мощью создают неограниченные возможности моделирования сложных физических процессов.

    Компьютерные модели

    Замечательный, чрезвычайно результативный тандем математических моделей и реализация виртуального физического эксперимента на компьютере, получил название вычислительного эксперимента. В этом методе в качестве экспериментальной установки выступает не реальное физическое устройство, а установленная на компьютере программа. Это позволяет использовать такие экстремальные условия и режимы протекания эксперимента, которые в реальной опытной установке воссоздать просто невозможно.

    Вычислительный эксперимент в полной мере заменяет дорогостоящие реальные экспериментальные установки, сокращая не только материальные затраты на сам эксперимент, но и сроки на разработку сложных систем и их внедрение в производство.

    Компьютерная среда позволяет строить модели физических моделей в виде компьютерной анимации. На экране монитора можно получить модели экспериментальных установок, физических процессов, осуществить визуализацию абстрактных идей и теоретических построений.

    Компьютерные модели реагируют на действия пользователя подобно реальному объекту. Исследователь имеет возможность изучить поведение объекта в динамике, при этом замедляя или ускоряя ход времени, сжимая или расширяя пространство, дополняя модель новыми элементами- таблицами, графиками, мультипликацией, повторяя или изменяя ситуацию.

    В пределах, ограниченных рамками программы, пользователь управляет процессом, вводя случайные события и факторы, новые величины, изменяя ход эксперимента. При этом он сразу видит последствия внесенных изменений, может неоднократно повторить ход решения, вплоть до получения достоверного результата.

    Изучение окружающего нас мира – это фактически изучение моделей, соответствующих определенным явлениям и процессам. По мере возрастания наших знаний модели совершенствуются и уточняются. Однако они навсегда останутся только моделями, поскольку наши знания об окружающем нас мире никогда не будут окончательными.

    Компьютерное моделирование фейерверков