Молекулярная динамика — различия между версиями

Материал из Department of Theoretical and Applied Mechanics
Перейти к: навигация, поиск
(Код программы)
 
(не показано 12 промежуточных версий 2 участников)
Строка 1: Строка 1:
== Описание ==<br />
+
== Описание ==
 
Данная работа посвящена визуализации движения частиц в замкнутом объеме. Цель проекта заключается в изучении основных принципов создания рабочей модели взаимодействия. Объект исследования – процесс использования языков программирования, а также физическая теория в области динамики. Предмет исследования – программные инструменты языков JavaScript и HTML.<br />
 
Данная работа посвящена визуализации движения частиц в замкнутом объеме. Цель проекта заключается в изучении основных принципов создания рабочей модели взаимодействия. Объект исследования – процесс использования языков программирования, а также физическая теория в области динамики. Предмет исследования – программные инструменты языков JavaScript и HTML.<br />
Исполнители : [http://tm.spbstu.ru/%D0%96%D1%83%D0%BA%D0%B8%D0%BD_%D0%90%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%81%D0%B0%D0%BD%D0%B4%D1%80 Жукин Александр],  
+
Исполнители :[http://tm.spbstu.ru/%D0%96%D1%83%D0%BA%D0%B8%D0%BD_%D0%90%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%81%D0%B0%D0%BD%D0%B4%D1%80 Жукин Александр],  
 
[http://tm.spbstu.ru/%D0%9B%D0%B8%D1%82%D0%B2%D0%B8%D0%BD%D0%BE%D0%B2%D0%B0_%D0%AF%D1%80%D0%BE%D1%81%D0%BB%D0%B0%D0%B2%D0%B0 Литвинова Ярослава]
 
[http://tm.spbstu.ru/%D0%9B%D0%B8%D1%82%D0%B2%D0%B8%D0%BD%D0%BE%D0%B2%D0%B0_%D0%AF%D1%80%D0%BE%D1%81%D0%BB%D0%B0%D0%B2%D0%B0 Литвинова Ярослава]
  
Строка 12: Строка 12:
 
* Энергия связи
 
* Энергия связи
  
==Визуализация==
+
== Визуализация ==
{{#vidget:Iframe | url-http://m.spbstu.ru/htmlets/js2020/Litvinova/particleshtml.html |width=600 | height=1000 | bourder=0}}
+
{{#widget:Iframe | url= http://tm.spbstu.ru/htmlets/js2020/Litvinova/particleshtml.html |width=600 | height=1250| border=0}}
  
 
==Код программы==
 
==Код программы==
 +
Код программы:
 +
<div class="mw-collapsible mw-collapsed">
 +
'''JS:''' <div class="mw-collapsible-content">
 +
<syntaxhighlight lang="javascript" line start="1" enclose="div">
 +
<br />
 +
    window.addEventListener('load',main,false)
 +
    function main(){
 +
    var N = document.getElementById("num").value;
 +
    Num = document.getElementById("num").value;
 +
    my = document.getElementById("my");
 +
    my.innerHTML =Num + " частиц";
 +
    var animation = 0;
 +
    var za = 0;
 +
    var ctx2 = canvasex2.getContext('2d');
 +
    var cplot = canvasex1.getContext('2d');
 +
    var cpl = canvasex3.getContext('2d');
 +
    var w = canvasex1.width;
 +
    var h = canvasex1.height;
 +
    var particles = [];
 +
    var t_max = 0;
 +
    var E=[];
 +
    var Ep=[];
 +
    una.onclick= function una(){
 +
    animation = 0;
 +
    }
 +
    start.onclick= function start(){
 +
    var D = document.getElementById("D").value;  //энергия связи
 +
    var beta = document.getElementById("b").value;  //вязкость
 +
    animation=1;
 +
    za += 1;
 +
    var l = canvasex2.height;
 +
    var a = 30; //равновесное расстояние
 +
    var m = 1;
 +
    var rad = 10;
 +
    var dt=1/60;
 +
 +
    function Particle(x,y,vx,vy){
 +
    var that=this;
 +
    this.x=x;
 +
    this.y=y;
 +
    this.vx=vx;
 +
    this.vy=vy;
 +
    this.info = function (){
 +
    console.log('Position: ('+that.x+','+that.y+')\nVelocity: ('+that.vx+','+that.vy+')')
 +
    }
 +
    this.move=function(){
 +
    if ((that.x-rad)<0||(that.x+rad)>l){
 +
    that.vx*=-1;
 +
    }
 +
    if ((that.y-rad)<0||(that.y+rad)>l){
 +
    that.vy*=-1;
 +
    }
 +
    that.x+=that.vx*dt;
 +
    that.y+=that.vy*dt;
 +
    }
 +
    this.draw = function(){
 +
    ctx2.beginPath();
 +
    ctx2.arc(that.x,that.y,rad,0,2*Math.PI);
 +
    ctx2.fillStyle = '#9999FF';
 +
    ctx2.fill();
 +
    }
 +
    }
 +
 +
    if (za==1){ // создание частиц
 +
    for(var i=0;i<N;i++){
 +
    var fi= Math.random()*2*Math.PI;
 +
    particles.push(
 +
    new Particle(
 +
      50+Math.random()*400,
 +
      50+Math.random()*400,
 +
      20*Math.cos(fi),
 +
      20*Math.sin(fi),
 +
        )
 +
        );
 +
    if (i!=0){
 +
      for (var z = 1;i-z>=0;z++)
 +
        {
 +
          if (Math.sqrt((particles[i].x-particles[i-z].x)*(particles[i].x-particles[i-z].x)+(particles[i].y-particles[i-z].y)*(particles[i].y-particles[i-z].y))<a)
 +
            { particles.length = particles.length-1;
 +
                    i = i-1;
 +
            }
 +
        }
 +
        }
 +
      particles[i].draw();
 +
      }
 +
    }
 +
 +
    function phys(){
 +
        var ep = 0;
 +
      for(var i=0;i<N;i++){
 +
          particles[i].move();
 +
          for(var j=0;j<N;j++){;
 +
            if(i!=j){
 +
                var F = 0;
 +
                var rx = particles[j].x-particles[i].x;
 +
                var ry = particles[j].y-particles[i].y;
 +
                var r = Math.sqrt(Math.pow(rx,2)+Math.pow(ry,2));
 +
                var K = Math.pow(1-Math.pow((r*r-1.21*a*a)/(16-1.21)/a/a,2),2);
 +
                if (r<1.1*a){  K = 1;  }
 +
                if (r>4*a){    K = 0;  }
 +
                if (r<15){  r = 15;  }
 +
                F = K*(12*D/a)*(Math.pow((a/r),13)-Math.pow((a/r),7));
 +
                ep+=D*(Math.pow((a/r),12)-2*Math.pow((a/r),6));
 +
                particles[i].vx = (particles[i].vx*Math.exp(-beta*dt) - (rx/r)*F*dt/m);
 +
                particles[i].vy = (particles[i].vy*Math.exp(-beta*dt) - (ry/r)*F*dt/m);
 +
                  }
 +
                }
 +
            }
 +
        for (var i=0;i<N;i++){
 +
              particles[i].x = particles[i].x+particles[i].vx*dt;
 +
              particles[i].y = particles[i].y+particles[i].vy*dt;
 +
            }
 +
        Ep.push(ep);
 +
        var e = 0;
 +
        for (var ii=0;ii<N;ii++){
 +
              e+=(particles[ii].vx*particles[ii].vx+particles[ii].vy*particles[ii].vy)/2;
 +
            }
 +
        E.push(e);
 +
        t_max+=dt;
 +
      }
 +
 +
    function draw(){
 +
        ctx2.clearRect(0,0,500,500);
 +
        for(var i=0;i<N;i++){
 +
        particles[i].draw();}
 +
        var Ep_scale =(h-20)/Math.max.apply(null,Ep);
 +
        var E_scale =(h-20)/Math.max.apply(null,E);
 +
        var t_scale= w/t_max;
 +
        cplot.beginPath();
 +
        cpl.beginPath();
 +
        for (var i =0; i<E.length-1; i++){
 +
            cplot.clearRect(0,0,w,h);
 +
            cpl.clearRect(0,0,w,h);
 +
            cplot.moveTo(dt*i*t_scale,3*h/4-Ep[i]*(Ep_scale));
 +
            cplot.lineTo(dt*(i+1)*t_scale, 3*h/4-Ep[i+1]*(Ep_scale));
 +
            cplot.font = "28px calibri";
 +
            cplot.strokeText("Ep="+Ep[i].toFixed(1),20,280)
 +
            cpl.moveTo(dt*i*t_scale,h-E[i]*(E_scale));
 +
            cpl.lineTo(dt*(i+1)*t_scale, h-E[i+1]*(E_scale));
 +
            cpl.font = "28px calibri";
 +
            cpl.strokeText("Ek="+E[i].toFixed(1),20,280)
 +
            cplot.stroke();
 +
            cpl.stroke();
 +
            }
 +
        }
 +
 +
    function control(){
 +
        if (animation!=0){
 +
            phys();
 +
            draw();
 +
          }
 +
        }
 +
    setInterval(control,1000*dt);
 +
    }
 +
  }
 +
</syntaxhighlight>
 +
</div>
 +
<div class="mw-collapsible mw-collapsed">
 +
'''HTML:''' <div class="mw-collapsible-content">
 +
<syntaxhighlight lang="javascript" line start="1" enclose="div">
 +
<!DOCTYPE html>
 +
<html>
 +
<head>
 +
<title>Particles</title>
 +
<script src='particles.js'></script>
 +
<style>
 +
input{
 +
width:100px;
 +
height:30px;
 +
}
 +
button{
 +
width:90px;
 +
height:30px;
 +
}
 +
div table{
 +
margin-left:auto;
 +
margin-right:auto;}
 +
table td{
 +
text-align:center;
 +
width:180px;
 +
height:30px;
 +
}
 +
</style>
 +
</head>
 +
<body>
 +
<center>
 +
<h1><i> Молекулярная динамика </i></h1>
 +
<table>
 +
<tr><td colspan="2">
 +
<canvas id='canvasex2' width=500 height=500 background-color=#FF99CC style='border: 1px dashed #000000' ></canvas>
 +
</td></tr><tr><td>
 +
<canvas id='canvasex1' width=220 height=300 background-color=#FF99CC style='border: 1px dashed #000000' ></canvas>
 +
</td><td>
 +
<canvas id='canvasex3' width=220 height=300 background-color=#FF99CC style='border: 1px dashed #000000' ></canvas>
 +
</td></tr><tr>
 +
<td><h2><i> Потенциальная энергия</i></td>
 +
<td><h2><i> Кинетическая энергия</i> </td></tr>
 +
</table>
 +
<table>
 +
<tr>
 +
<td><input type="button" id="start" value="start" > </td>
 +
<td> <input type="button" id="una" value="stop" width=40 height=20></td>
 +
<td> <button onclick='window.location.reload(true)' style ='width=100 height=20'>clear</button></td>
 +
</table>
 +
<table>
 +
<tr><th>
 +
<input type="range" min="15" max="40" id="num"
 +
oninput="main()" value="0"></th>
 +
<th><div id="my">0</div></th></tr>
 +
<tr><th>
 +
<input type="number" id="b" name="b" value="0.0001"
 +
min="0.0001" max="0.002" step="0.0002" style='border: 1px dashed #000000'></th>
 +
<th> <div> <h3><i> Вязкость</i></div></th></tr>
 +
<tr><th>
 +
<input type="number" id="D" name="D" value="5"
 +
min="1" max="10" step="1" style='border: 1px dashed #000000'></th>
 +
<th> <div> <h3><i> Энергия связи</i></div></th></tr>
 +
</table>
 +
</center>
 +
</body>
 +
</html>
 +
 +
</syntaxhighlight>
 +
</div>

Текущая версия на 14:41, 1 июня 2020

Описание[править]

Данная работа посвящена визуализации движения частиц в замкнутом объеме. Цель проекта заключается в изучении основных принципов создания рабочей модели взаимодействия. Объект исследования – процесс использования языков программирования, а также физическая теория в области динамики. Предмет исследования – программные инструменты языков JavaScript и HTML.
Исполнители :Жукин Александр, Литвинова Ярослава

Математическая модель[править]

В данном проекте при расчете движения частиц применялась модель парного взаимодействия неполярных молекул Леннарда-Джонса, описывающая зависимость энергии взаимодействия двух частиц от расстояния между ними. Эта модель позволяет достаточно реалистично передать свойства реального взаимодействия сферических неполярных молекул.

Входные данные[править]

  • Количество частиц
  • Вязкость среды
  • Энергия связи

Визуализация[править]

Код программы[править]

Код программы:

JS:
  1 <br />
  2     window.addEventListener('load',main,false)
  3     function main(){
  4     var N = document.getElementById("num").value;
  5     Num = document.getElementById("num").value;
  6     my = document.getElementById("my");
  7     my.innerHTML =Num + " частиц";
  8     var animation = 0;
  9     var za = 0;
 10     var ctx2 = canvasex2.getContext('2d');
 11     var cplot = canvasex1.getContext('2d');
 12     var cpl = canvasex3.getContext('2d');
 13     var w = canvasex1.width;
 14     var h = canvasex1.height;
 15     var particles = [];
 16     var t_max = 0;
 17     var E=[];
 18     var Ep=[];
 19     una.onclick= function una(){
 20     animation = 0;
 21     }
 22     start.onclick= function start(){
 23     var D = document.getElementById("D").value;  //энергия связи
 24     var beta = document.getElementById("b").value;  //вязкость
 25     animation=1;
 26     za += 1;
 27     var l = canvasex2.height;
 28     var a = 30; //равновесное расстояние
 29     var m = 1;
 30     var rad = 10;
 31     var dt=1/60;
 32 	
 33     function Particle(x,y,vx,vy){
 34     var that=this;
 35     this.x=x;
 36     this.y=y;
 37     this.vx=vx;
 38     this.vy=vy;
 39     this.info = function (){
 40     console.log('Position: ('+that.x+','+that.y+')\nVelocity: ('+that.vx+','+that.vy+')')
 41     }	
 42     this.move=function(){
 43     if ((that.x-rad)<0||(that.x+rad)>l){
 44     that.vx*=-1;
 45     }
 46     if ((that.y-rad)<0||(that.y+rad)>l){
 47     that.vy*=-1;
 48     }
 49     that.x+=that.vx*dt;
 50     that.y+=that.vy*dt;
 51     }		
 52     this.draw = function(){
 53     ctx2.beginPath();
 54     ctx2.arc(that.x,that.y,rad,0,2*Math.PI);
 55     ctx2.fillStyle = '#9999FF';
 56     ctx2.fill();
 57     }
 58     }
 59 	
 60     if (za==1){	// создание частиц
 61     for(var i=0;i<N;i++){
 62     var fi= Math.random()*2*Math.PI;
 63     particles.push(
 64     new Particle(
 65        50+Math.random()*400,
 66        50+Math.random()*400,
 67        20*Math.cos(fi),
 68        20*Math.sin(fi),
 69         )
 70         );	
 71     if (i!=0){
 72       for (var z = 1;i-z>=0;z++)
 73         {
 74           if (Math.sqrt((particles[i].x-particles[i-z].x)*(particles[i].x-particles[i-z].x)+(particles[i].y-particles[i-z].y)*(particles[i].y-particles[i-z].y))<a)
 75              { particles.length = particles.length-1;
 76                     i = i-1;
 77              }
 78          }
 79         }
 80        particles[i].draw();		
 81       }
 82      }
 83 
 84      function phys(){
 85         var ep = 0;
 86        for(var i=0;i<N;i++){
 87           particles[i].move();
 88           for(var j=0;j<N;j++){;
 89              if(i!=j){
 90                  var F = 0;
 91                  var rx = particles[j].x-particles[i].x;
 92                  var ry = particles[j].y-particles[i].y;
 93                  var r = Math.sqrt(Math.pow(rx,2)+Math.pow(ry,2));
 94                  var K = Math.pow(1-Math.pow((r*r-1.21*a*a)/(16-1.21)/a/a,2),2);
 95                  if (r<1.1*a){   K = 1;   }
 96                  if (r>4*a){     K = 0;   }
 97                  if (r<15){   r = 15;   }
 98                  F = K*(12*D/a)*(Math.pow((a/r),13)-Math.pow((a/r),7));
 99                  ep+=D*(Math.pow((a/r),12)-2*Math.pow((a/r),6));
100                  particles[i].vx = (particles[i].vx*Math.exp(-beta*dt) - (rx/r)*F*dt/m);
101                  particles[i].vy = (particles[i].vy*Math.exp(-beta*dt) - (ry/r)*F*dt/m);
102                    }
103                 }
104              }
105          for (var i=0;i<N;i++){
106               particles[i].x = particles[i].x+particles[i].vx*dt;
107               particles[i].y = particles[i].y+particles[i].vy*dt;
108             }
109          Ep.push(ep);
110          var e = 0;
111          for (var ii=0;ii<N;ii++){
112               e+=(particles[ii].vx*particles[ii].vx+particles[ii].vy*particles[ii].vy)/2;
113             }
114         E.push(e);
115         t_max+=dt;
116       }
117 	
118     function draw(){
119         ctx2.clearRect(0,0,500,500);
120         for(var i=0;i<N;i++){
121         particles[i].draw();}
122         var Ep_scale =(h-20)/Math.max.apply(null,Ep);
123         var E_scale =(h-20)/Math.max.apply(null,E);
124         var t_scale= w/t_max;
125         cplot.beginPath();
126         cpl.beginPath();
127         for (var i =0; i<E.length-1; i++){
128             cplot.clearRect(0,0,w,h);
129             cpl.clearRect(0,0,w,h);	
130             cplot.moveTo(dt*i*t_scale,3*h/4-Ep[i]*(Ep_scale));
131             cplot.lineTo(dt*(i+1)*t_scale, 3*h/4-Ep[i+1]*(Ep_scale));
132             cplot.font = "28px calibri";
133             cplot.strokeText("Ep="+Ep[i].toFixed(1),20,280)	
134             cpl.moveTo(dt*i*t_scale,h-E[i]*(E_scale));
135             cpl.lineTo(dt*(i+1)*t_scale, h-E[i+1]*(E_scale));
136             cpl.font = "28px calibri";
137             cpl.strokeText("Ek="+E[i].toFixed(1),20,280)
138             cplot.stroke();
139             cpl.stroke();						
140             }
141         }
142 	
143     function control(){
144         if (animation!=0){
145             phys();
146             draw();
147           }
148         }
149     setInterval(control,1000*dt);
150     }
151    }
HTML:
 1 <!DOCTYPE html>
 2 <html>
 3 <head>
 4 <title>Particles</title>
 5 <script src='particles.js'></script>
 6 <style>
 7 input{
 8 width:100px;
 9 height:30px;
10 }
11 button{
12 width:90px;
13 height:30px;
14 }
15 div table{
16 margin-left:auto;
17 margin-right:auto;}
18 table td{
19 text-align:center;
20 width:180px;
21 height:30px;
22 }
23 </style>
24 </head>
25 <body>
26 <center>
27 <h1><i> Молекулярная динамика </i></h1>
28 <table>
29 <tr><td colspan="2">
30 <canvas id='canvasex2' width=500 height=500 background-color=#FF99CC style='border: 1px dashed #000000' ></canvas>
31 </td></tr><tr><td>
32 <canvas id='canvasex1' width=220 height=300 background-color=#FF99CC style='border: 1px dashed #000000' ></canvas>
33 </td><td>
34 <canvas id='canvasex3' width=220 height=300 background-color=#FF99CC style='border: 1px dashed #000000' ></canvas>
35 </td></tr><tr>
36 <td><h2><i> Потенциальная энергия</i></td>
37 <td><h2><i> Кинетическая энергия</i> </td></tr>
38 </table>
39 <table>
40 <tr>
41 <td><input type="button" id="start" value="start" > </td>
42 <td> <input type="button" id="una" value="stop" width=40 height=20></td>
43 <td> <button onclick='window.location.reload(true)' style ='width=100 height=20'>clear</button></td>
44 </table>
45 <table>
46 <tr><th>
47 <input type="range" min="15" max="40" id="num"
48 oninput="main()" value="0"></th>
49 <th><div id="my">0</div></th></tr>
50 <tr><th>
51 <input type="number" id="b" name="b" value="0.0001"
52 min="0.0001" max="0.002" step="0.0002" style='border: 1px dashed #000000'></th>
53 <th> <div> <h3><i> Вязкость</i></div></th></tr>
54 <tr><th>
55 <input type="number" id="D" name="D" value="5"
56 min="1" max="10" step="1" style='border: 1px dashed #000000'></th>
57 <th> <div> <h3><i> Энергия связи</i></div></th></tr>
58 </table>
59 </center>
60 </body>
61 </html>