El software de código abierto siempre ha sido la piedra angular de las aplicaciones científicas.
Desde supercomputadoras hasta laboratorios del CERN, procesando algunos de los mayores descubrimientos de la humanidad y acelerando partículas más allá de la imaginación, el software de código abierto proporciona el marco para todos los usos necesarios de la tecnología.
reducirlo a un nivel más simple, Pasos de KDE Le brinda una plataforma para probar algunos de los conceptos fundamentales más importantes de la física, como el movimiento simple, la electrostática y la gravedad, e incluso el movimiento de resorte (armónico).
Desarrollar la intuición sobre estos fenómenos puede, en última instancia, cerrar las brechas de conocimiento que necesitan los estudiantes. Entonces, si eres profesor (o estudiante) de física, KDE Step merece tu atención.
Interfaz y experiencia
Usando el paquete de diseño básico de KDE, la aplicación parece muy familiar. Está organizado de una manera muy eficiente, con todos los objetos disponibles en un panel en el lado izquierdo de la ventana, mientras que el lado derecho contiene paneles que se pueden usar para modificar cualquier propiedad de esos objetos, así como un panel que muestra el historial de pasos realizados por el usuario (sin juego de palabras). En la parte superior de la ventana, todos los menús cuentan con botones para deshacer/rehacer y, lo más importante, un botón que le permite iniciar la simulación.
Para demostrar estos elementos y cómo utilizarlos mejor, mostraré diferentes simulaciones que contienen dichos elementos. Esta es la forma más eficiente y animada ya que, después de todo, es una aplicación de simulación.
movimiento armónico simple
Como dijo Sidney Coleman: «La carrera de un joven físico teórico transcurre lidiando con resonadores en niveles de abstracción cada vez mayores». Con esto en mente, mostraré una demostración muy básica de oscilación armónica simple.
movimiento armónico simple
Los elementos utilizados aquí son dos partículas, un resorte, una forma, un campo de peso y un punto de anclaje. partículas Los pasos son objetos puntuales simples de dimensión cero con posición, color, velocidad, masa, momento y energía cinética modificables.
primavera Es simple, puedes unir los extremos al objeto y puedes cambiar la rigidez. ancla es una utilidad que se puede utilizar para fijar la posición de objetos en una escena. De cualquier manera, no se moverá de donde fue colocado.
uno campo de peso Simplemente simula la gravedad de la Tierra para todos los objetos en la escena, pero nuevamente, puede modificar la aceleración gravitacional para adaptarse a cualquier tipo de simulación que esté intentando ejecutar (por ejemplo, intentar simular la gravedad en la luna).
por fin, gráficos Las utilidades se pueden utilizar para dibujar cualquier propiedad de cualquier objeto en la escena basándose en cualquier otra propiedad.
cuerpo suave
Si bien puede parecer la promesa de una crema hidratante, los cuerpos blandos no lo son, sino una clase de objetos en física que no son rígidos sino que se deforman y cambian de forma según parámetros establecidos.
Más precisamente, como muestra la propia aplicación, se puede pensar en él como un objeto compuesto por pequeñas partículas que están conectadas entre sí mediante resortes que se deforman según la fuerza ejercida.
simulación de software
Aquí se utilizan dos nuevos elementos, uno cuerpo suave (ya descrito) y Caja. Un cuadro es un rectángulo con un tamaño modificable. Además de cambiar el contenido de las partículas, también puede cambiar la velocidad angular, el momento angular, la inercia, etc.
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Si te preguntas por qué el cuerpo blando cae hacia la izquierda a pesar de estar colocado en el centro de la pantalla, es porque en este caso nada puede ser realmente cero. Siempre queda un valor pequeño y, en este caso, incluso si el valor se define como 0, su lado izquierdo es un valor exponencialmente pequeño (número negativo) cercano a él.
pista
Otra simulación básica que resulta realmente útil es la simulación orbital. pasos proporcionados campo gravitacional Simulación, la ley de la gravedad comienza a establecerse y aplicarse sobre el lienzo.
En esta simulación, modifiqué el valor de la constante gravitacional a un valor que permita a mis partículas orbitar la partícula central (porque finalmente puedo), estoy usando controlador Al cambiar la masa de mi partícula central, también simulé para mostrar cómo cambiar la velocidad y la distancia de la partícula en rotación.
simulación de órbita
Como puede ver, durante la primera parte del video, está formando una órbita tranquila, pero tan pronto como empiezo a aumentar la masa, las partículas se acercan (como era de esperar), y a medida que disminuyo la masa, las partículas se salen del cuadro (un poco dramático, pero aún esperado).
péndulo compuesto
¿Alguna vez te has preguntado cómo sería una lambda oscilante? Pues no lo pienses más porque Step te permite hacer lo que quieras polígono herramienta y luego puedes usar alfiler Se corrigió la posición de un punto en el sujeto en el lienzo. Luego aplica algo de gravedad a la escena y listo. Péndulo Lambda:
Simulación de péndulo compleja
Este tipo de péndulo que no concentra masa sino que la distribuye se llama en física péndulo compuesto, algo que a veces resulta difícil de imaginar.
Líneas paralelas de ángulos lineales
Los estudiantes a menudo tienen dificultades con las ecuaciones de movimiento de un disco, o cualquier ecuación relacionada con un cuerpo rígido en rotación, pero es simplemente una cuestión de convertir los valores de las ecuaciones lineales habituales de movimiento en ecuaciones relacionadas con un cuerpo en rotación. Por ejemplo, la masa se reemplaza por el momento de inercia, la velocidad se reemplaza por la velocidad angular, la aceleración también se reemplaza, etc. En la siguiente simulación, esto es exactamente lo que mostramos:
Rotación lineal de líneas paralelas.
En esta simulación, la masa y el momento de inercia de la partícula y el disco son 1 respectivamente, la velocidad y la velocidad angular son 6 respectivamente y la aceleración y la aceleración angular son -2 respectivamente.
Como puede ver, estos cambios ocurren simultáneamente, lo que muestra claramente cómo estas ecuaciones realmente funcionan en paralelo. he usado uno motor lineal Aplicar una fuerza lineal a la partícula y motor redondo Aplique torsión al disco. El valor mostrado se puede mostrar usando el siguiente comando metro Utilidades.
posiciones de equilibrio estable e inestable
En el primer caso, fijé dos cargas positivas del mismo tamaño en el lienzo mediante anclajes. Entre ellos se coloca otra carga positiva. Por supuesto, la carga se equilibrará al estar justo en el medio de la carga positiva. ¿Qué pasa si alejo ligeramente la carga central de su posición?
estado de carga de equilibrio estable
La carga comienza a oscilar. En la vida real, debido a las pérdidas por fricción, etc., esto volverá a una posición de equilibrio neutral. ¿Pero qué pasa si mi carga central es negativa? ¿Qué pasa entonces?
estado de carga de equilibrio inestable
Como puede ver, la carga se mueve hacia el lado del movimiento, como era de esperar. En este caso, el equilibrio es inestable, lo que significa que incluso un ligero cambio en la posición de un lado puede provocar una alteración absoluta del estado de equilibrio. he usado partículas cargadassimilar a las partículas normales, pero con la opción adicional de agregarles una carga. De manera similar a lo que hicimos con la gravedad, es necesario agregar campo de culombio sobre el lienzo para que las leyes de la electrostática comiencen a aplicarse.
Restricciones
Gran parte de la física fundamental se basa en restricciones, que pueden ser de diferentes tipos. La más básica es que la distancia entre dos objetos es fija, por lo que el movimiento de uno afecta al movimiento del otro. Entonces en esta simulación hice exactamente eso con un objeto sin masa. estampillaque conecta dos entidades en el paso. Le di a una de las partículas una cierta velocidad y puedes ver cómo afecta a la otra partícula aquí:
El uso de palos en los pasos.
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Es importante tener en cuenta que a veces las barras no funcionan muy bien. No se supone que sea elástico, pero si se configura incorrectamente a veces puede actuar más como un resorte que como un palo.
Simulación de gas perfecta
Finalmente, Step tiene una herramienta que te permite simular el perfecto gassiguiendo los principios básicos de la teoría cinética de los gases. Cuando lo aplica al lienzo, puede configurar el área donde existe el gas, la cantidad de partículas en esa área, la concentración, la temperatura, la masa de las partículas y la velocidad promedio. Por supuesto, algunas de estas cosas dependen entre sí, y todas estas cosas se pueden configurar individualmente, lo que parece un poco contradictorio, pero si cambia uno de los valores del que depende otro valor, cambiará automáticamente. La física del mismo no se ignora aquí.
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Las partículas de gas no están configuradas para interactuar con otros objetos o paredes/objetos cercanos. Si coloca cajas o polígonos para ver cómo interactúa el gas con ellos, Step mostrará un error indicando que esto no es posible.
Resumir
Hay algunos puntos de ruptura de pasos muy obvios. Ni siquiera muestra error, simplemente se rompe. Por ejemplo, si configura la masa de una partícula para que sea 0 o muy cercana a 0, el lienzo desaparecerá para cualquier simulación que involucre fuerzas o colisiones. Obviamente, las partículas sin masa no están dentro del alcance de los escenarios que Step puede simular.
En general, Step tiene algunas opciones excelentes que realmente pueden ayudar a los estudiantes a visualizar sus cursos de física hasta el nivel universitario.
Como estudiante de física, lo he estado usando durante años para aclarar mis dudas, pero está claro que la simulación sólo es útil y precisa si la configuras con cuidado. No solo eso, sino que te ayuda a explorar posibilidades imposibles en el mundo físico, como condiciones completamente ideales de fricción cero, la capacidad de cambiar constantes fundamentales y universales, y más.
En una nota relacionada, es posible que desee consultar Lista de distribuciones escolares y educativas.
Espero que este artículo te haya resultado útil y te alegrará ver respuestas a tus consultas sobre física. ¡salud!
