Сегодня: ________________ 2009 г.
Лекция № 8
Тема: Моделирование
физических процессов в
проектной среде
InteractivePhysics
Содержание лекции:
1. Среда для проектирования физических моделей
Interactive Physics
2. Сферы применения Interactive Physics
3. Особенности и возможности
4. Определения
5. Инструменты и управляющие кнопки
6. Основные пункты меню
7. Некоторые полезные приемы
8. Работа с формулами
Interactive Physics
предназначена для изучения физических
явлений;
является стандартом в области
программного обеспечения для
физических моделей;
способна моделировать различные типы
движений;
позволяет пользователю создавать
механические, электростатические и
другие системы
Эта «персональная физическая
лаборатория на экране
компьютера» …
работает на платформах Macintosh и Windows;
показывает реальные физические процессы, не
абстрагируясь только на математических
вычислениях;
способна моделировать различные типы
движений;
позволяет пользователю создавать
механические, электростатические и другие
системы
Визуальное представление на
мониторе компьютера
Происходит в виде «лабораторного стола», на котором в
считанные минуты можно создать систему с активными
объектами.
Объекты могут иметь круглую, прямоугольную или
произвольную форму со своими специфическими свойствами
(положение, масса, начальная скорость и ее направление,
заряд, момент, упругость, трение покоя и движения) и быть
связанными между собой различными типами механической
связи, такими как пружины, нити, блоки, шарниры, оси).
Если требуется, то к любому объекту прикладывается сила,
производящая действие только над ним. Это может быть
просто
прямо направленная сила, вращательный момент
или «мотор»
либо комплексы из них.
Сферы применения
Interactive Physics
Демонстрация физических процессов при объяснении
теоретического материала на лекциях.
Сопровождение компьютерных учебников по физике
для разделов “Механика” и “Электростатика”.
База для лабораторно-практических занятий, на которых
студенты сами создают модели - либо по
самостоятельным сценариям, либо по предлагаемым
преподавателем.
Применение в самостоятельной работе обучаемого, при
выполнении индивидуального задания.
Использование в работе инженера для построения и
тестирования компьютерной модели будущих реальных
механических систем и конструкций.
Особенности и возможности
Двумерное динамическое моделирование.
Электростатическое и динамическое моделирование.
Гравитационное притяжение между телами.
Контроль свойств объектов, включая массу, трение,
упругость, скорость, момент инерции.
Обширная
палитра
физических
связей:
пружина,
амортизатор, трос, блок (шкив, ролик), прут, распорка, ось,
вертикальные и горизонтальные шарниры. Параметры
связей определяются пользователем.
Изменяемые параметры среды: сопротивление воздуха,
гравитация, системы координат, изменение
масштабирования, заряд электрона, гравитационная
постоянная.
Ввод текста. Всплывающие палитры. Экспорт в видеофайл. Контроль во время эксперимента
Особенности и возможности
Функции воздействия: сила, привод, мотор, момент;
линейная, нелинейная, синусоидальная и определяемые
уравнением функции воздействия.
Обработка уравнений, уравнения определяют отношения
между объектами, пишутся на специальном языке, имеется
набор встроенных функций.
Кнопки/пульты используются для настройки интерфейса
модели, кнопки могут заменять большинство пунктов
меню, пульты изменяют параметры эксперимента.
Возможности измерения скорости, ускорения, положения,
момента,
кинетической
энергии,
сил,
трения,
сопротивления воздуха.
Определения
Модель – комплекс, состоящий из объектов,
полей, сил, связей, построенный в проектной
среде для демонстрации или исследования
физического явления.
Эксперимент – развитие модели во времени или
модель в режиме запуска.
Файл Interactive Physics – область постоянной
памяти компьютера, где хранится модель; в
одном файле может храниться только одна
модель.
Файл должен иметь уникальное имя.
Пример имени файла: 13А41_Ivanov01.ip
Определения
Тело – объект, имеющий массу. Тело состоит из
материала. Параметры тела определяют его
реакцию на внешнее воздействие.
Связь – объект нулевой массы с заданными
свойствами, соединяющий два тела или тело и
рабочий стол.
Воздействие (действие) – объект, производящий заданное воздействие на тело.
Пульт – объект, позволяющий корректировать
какой-либо параметр перед началом и во время
эксперимента, может быть в виде цифрового
поля, кнопки и движка (слайдера).
Определения
Измерительный прибор – позволяет получить
численную или графическую информацию о
физических свойствах или о результатах
вычислений программных выражений.
Вектор – графический объект, показы-вающий
размер и направление векторной физической
величины
Текст – текстовое поле, служит обычно для
названия и краткого пояснения модели.
Экран Interactive Physics
Старт
Сброс
Выбор
Поворот
Меню
Инструменты
Инструменты и управляющие кнопки
Стрелка (Выбор) (Аrrow).
Инструмент, с помощью которого выделяется
любой из объектов на рабочем столе с целью его
модификации или редактирования его параметров.
Чтобы выбрать несколько объектов, надо, нажав
на кнопку мыши, охватить их или щелкать по
ним, удерживая клавишу Shift. Индикаторами
выделенного объекта служат четыре черных
квадратика на в его узлах.
Поворот (Rotate)
помощью мышки.
поворачивает
объекты
с
Инструменты
Инструмент «лупа»
Используется редко
Лупа (Zoom) –
рабочего поля.
увеличение-уменьшение масштаба
Инструмент «брусок»
Брусок
(Rectangle)
служит
для
прямоугольных или квадратных объектов (тел).
создания
Создание «бруска»
Этап 1
Курсор превращается в (+).
Протягиваете мышку,
удерживая нажатой ее кнопку.
Этап 2
И… кнопку мышки
Этап 3
Брусок готов!
Инструменты «диск» и «пластина»
Используется редко
Диск (Circular) служит для создания овальных или
круглых объектов (тел).
Пластина (Polygon) служит для создания объектов (тел)
произвольной формы. Рисование фигуры производиться с
помощью нескольких линий. Завершение линии – одинарный
щелчок мышью. Завершение фигуры – двойной щелчок.
Инструменты «пружины» и «амортизаторы»
Пружины,
амортизаторы(Springs,
dampers)
создают
изменяемые объекты связи или связи с непостоянной
длиной,
создающие
сопротивление
при
сближении
или
удалении.
Создание «пружины»
Курсор превращается в (+).
Удерживаете клавишу
мышки нажатой
Протаскиваете курсор
Узлы пружины соединены с
«фоном»
Присоединение «диска к «пружине»
Создаете диск
Выбираете пружину
Перемещаете узел пружины
на диск
Узел превратится в «о»
Теперь диск соединен с
пружиной
«Тросы» и «блоки»
Трос
Прут
Интервал
Система блоков
Шасси
(не используется)
Трос, блок(шкив,ролик), прут, распорка (Ropes, pulley, rod,
separator) создают связи с постоянной длиной (неизменяемые).
Инструмент блок при одинарном щелчке создает один ролик, при
двойном – завершает систему блоков. Прут удерживает два тела на
одинаковом расстоянии. Распорка (интервал) не дает сблизиться
«Система блоков»
Щелчок,
протаскивание,
щелчок,
протаскивание,
двойной щелчок
три точки
соединены со столом
(фоном)
делаете 2 бруска
запускаете
эксперимент
«Сила», «привод», «момент» «мотор»
Сила, привод, момент, мотор (Force, actuator, torque, motors)
– инструменты, создающие воздействия на тела.
Приложение силы к бруску
Создаете вектор
силы и брусок
Указатель вектора
на брусок
Эксперимент готов
«Ось», «шатун», «ползун»
Ось, вертикальные и горизонтальные шарниры (Pin,
vertical slot
joint, keyed slot joint, horizontal slot joint, keyed horizontal slot
joint)
– ось закрепляет тела так, что они могут вращаться (но не
двигаться поступательно) друг относительно друга, вертикальные и
горизонтальные шарниры ограничивают движение по координатным осям.
Движение с использованием «шатуна»
Создайте шатун и
брусок
Переместите точку
«о» шатуна на брусок
и отпустите клавишу
мышки
Запустите
эксперимент
«Якорь», «точка»
Якорь служит для
закрепления
объекта
Точка используется
для наблюдения за
положением точки на
исследуемом объекте
Якорь, точка (Anchor, point). Объект “якорь” служит для закрепления
объекта на рабочем поле, а метка (точка) применяется для наблюдения за
определенным местом на объекте, например, для измерения координат и
скорости точки, установленной в определенном месте на объекте.
Применение «точки»
Прикрепляем
трос к диску (но не
за его центр)
Выбираем «точку» и
прикрепляем ее на
диске
Запускаем
эксперимент
Применение «точки»
Траектория
центра масс диска
Траектория точки на
диске
Меню Interactive Physics
Файл (File)
Редактор (Edit)
Среда (World)
Стол (View - WorkSpace)
Объекты (Object)
Задать (Define)
Измерения (Measure)
Векторы (Vectors)
Меню Файл
Новый (New) - создание нового файла
(модели).
Открыть…(Open) - открытие
существующего файла.
Закрыть … (Close) – закрытие
модели.
Сохранить (Save) и Сохранить
как…(Save as) - сохранение файла.
Печать (Print) - печать файла
(запрещено!).
Выход (Quit) – завершение
программы (осторожно!).
Меню Редактор
Вырезать (Cut) - удаление объекта
или связи.
Записать (Copy) - копирование
объекта в буфер обмена.
Вставить (Paste) объекта из буфера обмена.
Выделить все (Select All) - выделение
всех объектов на рабочем поле.
Режим…(Player-Edit Mode) изменение режима (разработка или
исследование).
вставка
Меню Среда
Гравитация(Gravity) - изменение модели действия гравитационных сил (не
существует, вертикальная или планетарная).
Сопротивление воздуха (Air Resistance) – режим сопротивления воздуха (не
существует, пропорционально скорости или пропорционально квадрату
скорости).
Электростатика (Electrostatics) - определяет - будут ли на объекты,
имеющие ненулевой заряд подвержены силам электростатического поля.
Поле сил (Force Field) – определяет силовое поле действующее на рабочем
столе из предлагаемых полей(магнитное, ветер и пр.) или задаваемого
формулами. Формулы вводятся в соответствующие поля для сил Fx, Fy и
T.
Показывать (Skip Frames) – служит для определения частоты кадров при
просмотре эксперимента.
Параметры строба (Tracking) – служит для стробирования –фиксации
кадров через определенный период во время эксперимента.
Точность (Accuracy) – определяет метод и шаг для эксперимента.
Меню Среда
Меню Стол
Разметка (Rulers) – включение/отключение визуализации
координатных линеек.
Сетка (Grid Lines) – включение/отключение координатной сетки.
Захват узлов – если этот пункт включен, объекты закрепляются
только через определенный шаг, определяемый внутренними
параметрами программы, если нет, то дискретность закрепления
равна одному экранному пикселю.
Оси OX и OY (XY Axes)– определяет показывать или нет на рабочем
столе оси координат.
Единицы измерения (Grid
Snap) – включает
переключатель между
различными сиcтемами
единиц измерений.
Стол (Home) – возврат к
началу координат.
Меню Объекты (активно, когда объект выделен)
Свойства (Propeties) – вызывает окно для ввода параметров
объекта.
Изображение (Appearance) – вызывает окно для изменения
параметров представления объекта.
Меню Задать (активно, когда объект выделен)
Клавиша управления (New Menu button) – служит для назначения для
экранной кнопки какой-либо функции из меню.
Система управления (New Control) – служит для создания пультов, с
помощью которых можно будет управлять параметрами объектов.
Защита управления (Lock Control) – установка этого пункта означает,
что нельзя изменить параметры пультов и объектов-измерений, а
также их положение на столе.
Пример использования Вектора
Создаете блок
Выбираете показ
вектора его силы
тяготения и скорости
Прикладываете силу
Запускаете
эксперимент
Векторы (Vectors) – включает подменю из физических
величин, которые можно показывать в процессе
эксперимента в виде изменяемых векторов.
Пример использования Вектора
Зеленая стрелка – сила тяжести
Голубая стрелка – скорость
Траектория центра масс
Меню Задать
Используется и для начальных параметров
Получаете пульт
Задаете
параметр
Меню Задать
… и запускаете модель
Меню Измерить (активно, когда объект выделен)
Измерения (Measure) – включает в себя подменю физических
параметров объектов, которые могут быть измерены с помощью
графиков, цифрового поля или ленточного индикатора.
Меню Измерить (активно, когда объект выделен)
Задаем наблюдение за скоростью (начальная скорость
равна нулю)
Меню Измерить (активно, когда объект выделен)
Запускаем эксперимент и наблюдаем за графиками …
Окно для определения свойств и изображения
объекта (активно, когда объект выделен)
Меню Измерить (активно, когда объект выделен)
Запускаем эксперимент и наблюдаем за графиками …
Некоторые полезные приемы
Создание последовательности экспериментов с помощью
запуска последовательности файлов
- открыть 1-й файл,
- выбрать Клавиша управления из меню Задать,
- выбрать команду Файл-Открыть,
- выбрать имя 2-го файла из окна; появится окно выбора
команд, где к слову “Открыть” будет добавлено имя файла.
- Нажать Готово; появится новая кнопка.
Разумеется, что 1-й и 2- файл должны содержать готовые
модели.
Скрытие объектов
- выделить объект,
- выбрать Изображение из меню Объекты,
- щелчком снять флажок “Есть”.
Некоторые полезные приемы
Методы моделирования
Из меню Среда – Точность можно выбрать:
быстрый метод, при котором:
- объекты могут перекрываться,
- на протяжении одного кадра все параметры считаются
константами,
- неупругие столкновения могут приводить к отскоку,
- предусмотрен минимум предупреждений для больших v и а;
или точный метод, при котором:
- объекты не могут перекрываться,
- неупругие столкновения рассчитываются с большей точностью,
- трение моделируется точно.
Лекция окончена
Нажмите клавишу <ESC> для выхода
