КП: Динамика молекулы (моделирование) — различия между версиями

Материал из Department of Theoretical and Applied Mechanics
Перейти к: навигация, поиск
(Общие сведения по теме)
 
(не показано 28 промежуточных версий 3 участников)
Строка 1: Строка 1:
 
[[А.М. Кривцов]] > [[Теоретическая механика: физико-механический факультет|Теоретическая механика]] > [[Курсовые проекты ТМ 2013|Курсовые проекты 2013]] > '''Моделирование образования Земли и Луны в газопылевом облаке с учётом солнечного притяжения (моделирование)''' <HR>
 
[[А.М. Кривцов]] > [[Теоретическая механика: физико-механический факультет|Теоретическая механика]] > [[Курсовые проекты ТМ 2013|Курсовые проекты 2013]] > '''Моделирование образования Земли и Луны в газопылевом облаке с учётом солнечного притяжения (моделирование)''' <HR>
  
[[Файл:Colc.png|справа|400px]]
+
[[Файл:Colc.png|справа|450px]]
 
'''''Курсовой проект по [[Теоретическая механика: физико-механический факультет|Теоретической механике]]'''''
 
'''''Курсовой проект по [[Теоретическая механика: физико-механический факультет|Теоретической механике]]'''''
  
Строка 12: Строка 12:
 
== Аннотация проекта ==
 
== Аннотация проекта ==
  
Данный проект является продолжением работы над проектом "Земля-Луна".Исследуется поведение газопылевого облака в гравитационном поле, создаваемом Солнцем. Уже получены результаты для облака, имеющего форму эллипсоида. Результатом является образование двойной системы путём одновременного возникновения двух небесных тел, одно из которых в несколько раз больше другого по размеру. Для этого случая были проведены исследования, которые выявили наиболее оптимальные исходные данные, при которых образование двойной системы происходит с большой вероятностью.
+
Данный проект является продолжением работы над проектом "Земля-Луна"[http://tm.spbstu.ru/%D0%9F%D1%80%D0%BE%D0%B5%D0%BA%D1%82_%22%D0%97%D0%B5%D0%BC%D0%BB%D1%8F_-_%D0%9B%D1%83%D0%BD%D0%B0%22]. Исследуется поведение газопылевого облака в гравитационном поле, создаваемом Солнцем. Уже получены результаты для облака, имеющего форму эллипсоида. Результатом является образование двойной системы путём одновременного возникновения двух небесных тел, одно из которых в несколько раз больше другого по размеру. Для этого случая были проведены исследования, которые выявили наиболее оптимальные начальные данные, при которых образование двойной системы происходит с большой вероятностью.
  
 
== Постановка задачи ==
 
== Постановка задачи ==
Строка 20: Строка 20:
 
== Общие сведения по теме ==
 
== Общие сведения по теме ==
  
Для рассматриваемого случая необходимо учитывать многое из того, что не учитывается в случае, когда облако задается в виде эллипсоида. Скорость твердотельного вращения должна считаться исходя из факта влияния на облако как самих частиц,его составляющих, так и центрального тела. Таким образом, задав скорость вращения облака, можно добиться того, что частицы пыли не будут падать в центр или разлетаться.
+
Для рассматриваемого случая необходимо учитывать многое из того, что не учитывается в случае, когда облако задается в виде эллипсоида. Скорость твердотельного вращения должна считаться исходя из факта влияния на облако как самих частиц,его составляющих, так и центрального тела. Таким образом, задав скорость вращения облака, можно добиться того, что частицы пыли не будут падать в центр или разлетаться.  
 +
 
 +
Сила взаимодействия складывается из трех составляющих: гравитационного притяжения, реактивного отталкивания и диссипативных сил. Она зависит от расстояния между частицами и скорости их сближения. Диссипативная составляющая появляется из-за предположения, что нагретая частица интенсивно испускает газообразное вещество. Таким образом, каждая частица окружена газовой оболочкой. Потери энергии при взаимодействии этих оболочек и обуславливают появление диссипативной силы. 
  
 
'''Облако в виде тора в поле центрального тела.'''
 
'''Облако в виде тора в поле центрального тела.'''
Строка 27: Строка 29:
  
 
Также необходимо учитывать тот факт, что из-за более сложной геометрии тора по сравнению с геометрией эллипсоида, понять где и как будут образовываться необходимые кластеры гораздо сложнее. В случае с эллипсоидом, можно было предполагать образование системы в центральной части, тогда как для тора оно может произойти где угодно. Причем в данном случае может получиться так, что образуется несколько кластеров, подобных друг другу. Таким образом, для вероятности образования двойной системы, необходимо увеличивать толщину тора.
 
Также необходимо учитывать тот факт, что из-за более сложной геометрии тора по сравнению с геометрией эллипсоида, понять где и как будут образовываться необходимые кластеры гораздо сложнее. В случае с эллипсоидом, можно было предполагать образование системы в центральной части, тогда как для тора оно может произойти где угодно. Причем в данном случае может получиться так, что образуется несколько кластеров, подобных друг другу. Таким образом, для вероятности образования двойной системы, необходимо увеличивать толщину тора.
 +
 +
В качестве начальных данных, которые и задают систему в начальный момент времени и со значениями которых необходимо проводить эксперименты в первую очередь, берутся величины:
 +
 +
<math>N</math> — число частиц
 +
 +
<math>d_{0}</math> — среднее расстояние между частицами
 +
 +
<math> E_{hR}</math> — соотношение радиуса тора к его толщине
 +
 +
<math>\frac{\omega_{0}}{\omega_{s}}</math> — отношение угловых скоростей, задающее начальную скорость вращения облака
 +
 +
<math>\frac{V_{xy}}{V}</math> — задание хаотической составляющей скорости по отношению к скорости, полученной из значения угловой скорости вращения, т.е.скорости вращения.
 +
 +
<math>\frac{M_{0}}{M}</math> — отношение массы системы к массе центрального тела.
  
 
== Решение ==
 
== Решение ==
Строка 40: Строка 56:
 
Если учитывать, что угловая скорость твердотельного вращения без центрального тела имеет вид
 
Если учитывать, что угловая скорость твердотельного вращения без центрального тела имеет вид
 
   
 
   
<math> \omega_{s0} =\sqrt{\frac{3 \pi GNm_{0}}{4R_{0}^3}}</math>, где <math>N</math> - число частиц
+
<math> \omega_{s0} =\sqrt{\frac{3 \pi GNm_{0}}{4R_{0}^3}}</math>, где <math>N</math> число частиц
  
 
то получим, что искомая уловая скорость твердотельного вращения будет иметь вид
 
то получим, что искомая уловая скорость твердотельного вращения будет иметь вид
Строка 47: Строка 63:
  
 
Задав отношение <math>\frac{\omega_{0}}{\omega_{s}}</math>, получаем значение угловой скорости облака <math>\omega_{0}</math>  
 
Задав отношение <math>\frac{\omega_{0}}{\omega_{s}}</math>, получаем значение угловой скорости облака <math>\omega_{0}</math>  
Это отношение угловых скоростей позволяет сохронить подобие при изменении числа частиц.  
+
Это отношение угловых скоростей позволяет сохранить подобие при изменении числа частиц.
 +
 
 +
Зная <math>\omega_{0}</math> можно найти скорость частицы <math>V_{0} = [\omega,r]</math>,где <math>r</math> — расстояние до центра.
  
Зная <math>\omega_{0}</math> можно найти скорость частицы <math>V_{0} = [\omega,r]</math>,где <math>r</math> - расстояние до центра.
 
 
Результат работы программы при:
 
Результат работы программы при:
<math>\frac{\omega_{0}}{\omega_{s}}</math> = 1.05
+
<math>\frac{\omega_{0}}{\omega_{s}}</math> = 1.05,
 
 
 
<math>N</math> = 10000
 
<math>N</math> = 10000
  
Строка 61: Строка 77:
 
== Обсуждение результатов и выводы ==
 
== Обсуждение результатов и выводы ==
  
Полученные результаты позволяют исследовать зависимость поведения облака от параметров. Попытки привести значения переменных к значению констант системы Земля-Луна-Солнца оказались не плодотворными. Таким образом, для дальнейшего продвижения, необходимо далее исследовать влияние параметром на образование двойной системы. Помимо параметров динамических, необходимо рассматривать влияние и параметров геометрических, после чего уже можно будет пытаться применить к модели реальные параметры
+
Полученные результаты позволяют исследовать зависимость поведения облака от параметров. Попытки привести значения переменных к значению констант системы Земля-Луна-Солнца оказались не плодотворными. Таким образом, для дальнейшего продвижения, необходимо далее исследовать влияние параметром на образование двойной системы. Помимо параметров динамических, необходимо рассматривать влияние и параметров геометрических, после чего уже можно будет пытаться применить к модели реальные параметры. После применения реальных параметров полученные результаты можно будет сравнить с теоретическими предсказаниями[http://tm.spbstu.ru/%D0%9A%D0%9F:_%D0%94%D0%B8%D0%BD%D0%B0%D0%BC%D0%B8%D0%BA%D0%B0_%D0%BC%D0%BE%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%83%D0%BB%D1%8B_(%D1%80%D0%B0%D1%81%D1%87%D0%B5%D1%82)]
  
 
== Ссылки по теме ==
 
== Ссылки по теме ==
[[http://tvsh2004.narod.ru/saturn/sat_rings.html]]
+
 
[[http://full-moon.ru/earth-moon.html]]
+
[http://tm.spbstu.ru/%D0%9F%D1%80%D0%BE%D0%B5%D0%BA%D1%82_%22%D0%97%D0%B5%D0%BC%D0%BB%D1%8F_-_%D0%9B%D1%83%D0%BD%D0%B0%22 Земля-Луна]
[[http://www.informatics.ru/mshp/works/solar/earth.htm]]
+
 
 +
== Интересные страницы по теме ==
 +
 
 +
[http://tvsh2004.narod.ru/saturn/sat_rings.html Кольца Сатурна]
 +
 
 +
[http://full-moon.ru/earth-moon.html Система Земля - Луна]
 +
 
 +
[http://www.informatics.ru/mshp/works/solar/earth.htm О разных гипотезах возникновения Луны]
  
 
== См. также ==
 
== См. также ==

Текущая версия на 12:54, 3 июня 2013

А.М. Кривцов > Теоретическая механика > Курсовые проекты 2013 > Моделирование образования Земли и Луны в газопылевом облаке с учётом солнечного притяжения (моделирование)
Colc.png

Курсовой проект по Теоретической механике

Исполнитель: Марков Николай

Группа: 07 (20510)

Семестр: весна 2013

Аннотация проекта[править]

Данный проект является продолжением работы над проектом "Земля-Луна"[1]. Исследуется поведение газопылевого облака в гравитационном поле, создаваемом Солнцем. Уже получены результаты для облака, имеющего форму эллипсоида. Результатом является образование двойной системы путём одновременного возникновения двух небесных тел, одно из которых в несколько раз больше другого по размеру. Для этого случая были проведены исследования, которые выявили наиболее оптимальные начальные данные, при которых образование двойной системы происходит с большой вероятностью.

Постановка задачи[править]

Выполнить моделирование динамики газопылевого облака, заданного виде тора в гравитационном поле центрального тела, с получением двойной системы, которая по своим характеристикам была приближена к системе Земля-Луна, а так же получить значения начальных параметров, при котором возникновение такой системы было бы наиболее вероятным.

Общие сведения по теме[править]

Для рассматриваемого случая необходимо учитывать многое из того, что не учитывается в случае, когда облако задается в виде эллипсоида. Скорость твердотельного вращения должна считаться исходя из факта влияния на облако как самих частиц,его составляющих, так и центрального тела. Таким образом, задав скорость вращения облака, можно добиться того, что частицы пыли не будут падать в центр или разлетаться.

Сила взаимодействия складывается из трех составляющих: гравитационного притяжения, реактивного отталкивания и диссипативных сил. Она зависит от расстояния между частицами и скорости их сближения. Диссипативная составляющая появляется из-за предположения, что нагретая частица интенсивно испускает газообразное вещество. Таким образом, каждая частица окружена газовой оболочкой. Потери энергии при взаимодействии этих оболочек и обуславливают появление диссипативной силы.

Облако в виде тора в поле центрального тела.

Tor2.png

Также необходимо учитывать тот факт, что из-за более сложной геометрии тора по сравнению с геометрией эллипсоида, понять где и как будут образовываться необходимые кластеры гораздо сложнее. В случае с эллипсоидом, можно было предполагать образование системы в центральной части, тогда как для тора оно может произойти где угодно. Причем в данном случае может получиться так, что образуется несколько кластеров, подобных друг другу. Таким образом, для вероятности образования двойной системы, необходимо увеличивать толщину тора.

В качестве начальных данных, которые и задают систему в начальный момент времени и со значениями которых необходимо проводить эксперименты в первую очередь, берутся величины:

[math]N[/math] — число частиц

[math]d_{0}[/math] — среднее расстояние между частицами

[math] E_{hR}[/math] — соотношение радиуса тора к его толщине

[math]\frac{\omega_{0}}{\omega_{s}}[/math] — отношение угловых скоростей, задающее начальную скорость вращения облака

[math]\frac{V_{xy}}{V}[/math] — задание хаотической составляющей скорости по отношению к скорости, полученной из значения угловой скорости вращения, т.е.скорости вращения.

[math]\frac{M_{0}}{M}[/math] — отношение массы системы к массе центрального тела.

Решение[править]

Для решения данной задачи было проведено ознакомление и изучение результатов, полученных без учета центрального тела для эллипсоида,а так же разбор работы программы, производящей моделирование. Создана модель газопылевого облака в виде тора, а так же исследовано влияние начальной скорости вращения на устойчивость геометрии тора. Рассмотрим решение подробнее:

Пусть имеется частица, имеющая массу [math]m_{0}[/math], скорость [math]V_{0}[/math] и находящаяся на расстоянии [math]R[/math] от центрального тела массы [math]M[/math] . Тогда уравнение [math]m_{0} a =\ F[/math] будет иметь вид:

[math] \frac{m_{0}V_{0}^2}{R_{0}} =\ G\frac{m_{0}M}{R_{0}^2} [/math] [math]\lt =\gt [/math] [math] m_{0} \omega^2 R_{0} =\ G\frac{m_{0}M}{R_{0}^2} [/math] [math]\lt =\gt [/math] [math] \omega =\sqrt{\frac{GM}{R_{0}^3}}[/math].

Если учитывать, что угловая скорость твердотельного вращения без центрального тела имеет вид

[math] \omega_{s0} =\sqrt{\frac{3 \pi GNm_{0}}{4R_{0}^3}}[/math], где [math]N[/math] — число частиц

то получим, что искомая уловая скорость твердотельного вращения будет иметь вид

[math] \omega_{s} =\sqrt{\frac{3 \pi GNm_{0}}{4R_{0}^3}} + \sqrt{\frac{GM}{R_{0}^3}}[/math]

Задав отношение [math]\frac{\omega_{0}}{\omega_{s}}[/math], получаем значение угловой скорости облака [math]\omega_{0}[/math] Это отношение угловых скоростей позволяет сохранить подобие при изменении числа частиц.

Зная [math]\omega_{0}[/math] можно найти скорость частицы [math]V_{0} = [\omega,r][/math],где [math]r[/math] — расстояние до центра.

Результат работы программы при: [math]\frac{\omega_{0}}{\omega_{s}}[/math] = 1.05, [math]N[/math] = 10000

Prog2.png

Видим 12 кластеров, движущиеся по орбитам. Этот результат получен после 24804 итераций. То есть при данном отношении угловых скоростей облако устойчиво.

Обсуждение результатов и выводы[править]

Полученные результаты позволяют исследовать зависимость поведения облака от параметров. Попытки привести значения переменных к значению констант системы Земля-Луна-Солнца оказались не плодотворными. Таким образом, для дальнейшего продвижения, необходимо далее исследовать влияние параметром на образование двойной системы. Помимо параметров динамических, необходимо рассматривать влияние и параметров геометрических, после чего уже можно будет пытаться применить к модели реальные параметры. После применения реальных параметров полученные результаты можно будет сравнить с теоретическими предсказаниями[2]

Ссылки по теме[править]

Земля-Луна

Интересные страницы по теме[править]

Кольца Сатурна

Система Земля - Луна

О разных гипотезах возникновения Луны

См. также[править]