آشنايي با فيزيك محاسباتي

فيزيك محاسباتي همانطوري ‌كه از نامش بر مي‌آيد ، شامل محاسباتي است كه در فيزيك انجام مي‌گيرد. مي‌دانيم كه روش حل عددي در تمام مسائل فيزيك به پاسخ منجر نمي‌شود. بعبارت ديگر ، موارد معدودي وجود دارد كه با توسل به روشهاي تحليلي قابل حل هستند و لذا در موارد ديگر بايد از روشهاي عددي و تقريبي استفاده كنيم. هدف فيزيك محاسباتي تشريح و توضيح اين روشها مي‌باشد.
سه‌شنبه، 15 دی 1388
تخمین زمان مطالعه:
موارد بیشتر برای شما
آشنايي با فيزيك محاسباتي
آشنايي با فيزيك محاسباتي
آشنايي با فيزيك محاسباتي






فيزيك محاسباتي همانطوري ‌كه از نامش بر مي‌آيد ، شامل محاسباتي است كه در فيزيك انجام مي‌گيرد. مي‌دانيم كه روش حل عددي در تمام مسائل فيزيك به پاسخ منجر نمي‌شود. بعبارت ديگر ، موارد معدودي وجود دارد كه با توسل به روشهاي تحليلي قابل حل هستند و لذا در موارد ديگر بايد از روشهاي عددي و تقريبي استفاده كنيم. هدف فيزيك محاسباتي تشريح و توضيح اين روشها مي‌باشد.
به عنوان مثال ، فرض كنيد با يك خط‌كش طول ميزي را اندازه بگيريم، طبيعي است كه بخاطر خطاي اندازه‌گيري اگر 10 بار طول ميز اندازه‌گيري شود، در هر بار اندازه‌گيري مقداري كه با مقادير قبلي تفاوت جزئي دارد، حاصل خواهد شد. بنابراين براي تعيين طول واقعي نيز با بيشترين دقت بايد به روشهاي آماري متوسل شويم.

توزيع‌ هاي آماري

معمولا اگر داده‌هاي تجربي حاصل از آزمايشها را بر روي يك نمودار پياده كنيم، در اين‌صورت ، بر اساس نمودار حاصل ، اين داده‌ها از توزيع بخصوصي تبعيت خواهند كرد. اين توزيع‌ها را اصطلاحا توزيع‌هاي آماري مي‌گويند كه معروفترين آنها عبارتند از:

توزيع دوجمله‌اي

فرض كنيد تاسي را n بار پرتاب كنيم و هدف ما آمدن عدد 6 باشد. در اين‌صورت ، اين عمل را 'آزمون' و تعداد دفعاتي را كه عدد 6 ظاهر شده است، 'موفقيت' و مواردي را كه اعداد ديگر ظاهر شده است، 'عدم موفقيت' مي‌گويند. بنابراين ، اگر موفقيت‌ها بر يكديگر تاثير نداشته و مستقل از يكديگر باشند و نيز ترتيب مهم نباشد، در اينصورت ، داده‌ها از توابع توزيع دوجمله‌اي پيروي مي‌كنند.

توزيع پواسون

اگر چنانچه تعداد حالات با تعداد آزمونها به سمت بينهايت ميل كند و نيز احتمال موفقيت (p) به سمت صفر ميل كند، در اينصورت ، داده‌ها از تابع پواسون پيروي مي‌كنند. شرط عملي براي استفاده از توزيع پواسون اين است كه تعداد آزمونها بيشتر از 30 بار بوده و نيز احتمال موفقيت كمتر از 0.05 باشد. لازم به ذكر است كه اين دو شرط بايد بطور همزمان برقرار باشند. اين معيار عملي از روي هم گذاشتن توابع توزيع و گزينش بهترين انتخاب و از روي آن تعيين N و P ويژه حاصل مي‌گردد.

توزيع گاوسي

توزيع گاوسي يا نرمال يك نقش اساسي در تمام علوم بازي مي‌كند. خطاهاي اندازه‌گيري‌ معمولا به‌وسيله اين توزيع داده مي‌شود. توزيع گاوسي اغلب يك تقريب بسيار خوبي از توزيع‌هاي موجود مي‌باشد. ديديم كه اگر N بيشتر شده و احتمال موفقيت (P) كوچك باشد، در اين صورت توزيع پواسون حاكم است. حال اگر تعداد آزمونها (N) به سمت اعداد خيلي بزرگتر ميل كند، بطوري كه حاصلضرب NP به سمت 20 ميل كند، در اين صورت شكل تابع توزيع حالت تقارن پيدا مي‌كند، بگونه‌اي كه مي‌توان آن را با يك توزيع پيوسته جايگزين كرد. اين توزيع پيوسته همان توزيع گاوسي است.

برازش

اغلب اتفاق مي‌افتد كه نموداري در اختيار داريم و مي‌خواهيم مدل فيزيكي را كه بر اين نمودار حاكم است، پيدا كنيم. فرض كنيد در يك حركت سقوط آزاد اجسام ، زمان و ارتفاع سقوط را اندازه‌گيري كرده و نتايج حاصل بر روي يك نمودار پياده شده است. حال با توجه به اينكه معادله حركت سقوط آزاد اجسام را مي‌دانيم و مي‌خواهيم با استفاده از اين نمودار مقدار g ، شتاب جاذبه ثقل ، را تعيين كنيم. بنابراين ، در چنين مواردي از روش برازش كه ترجمه واژه لاتين (fitting) مي‌باشد، استفاده مي‌كنيم. در اين حالت ابتدا بايد توزيع حاكم بر اين داده‌ها را بشناسيم كه اغلب در چنين مواردي توزيع حاكم ، توزيع گاوسي است.

حل دستگاه معادلات

معمولا در مسائل عددي به مواردي برخورد مي‌كنيم كه يك دستگاه n معادله n مجهولي ظاهر مي‌گردد. در اين صورت ، براي حل اين معادلات به طريق عددي از روش‌هاي مختلفي استفاده مي‌شود. يكي از اين روشها ، حل دستگاه معادلات به روش حذف گوسي (روش كاهش يا حذف گاوسي) مي‌باشد. البته روشهاي ديگري مانند حل دستگاه معادلات به روش محورگيري و موارد ديگر نيز وجود دارد كه بسته به نوع مسئله مورد استفاده ، از آن روش استفاده مي‌گردد.

انتگرالگيري عددي

اگر مسئله‌اي وجود داشته باشد كه در آن انتگرالهاي دوگانه يا سه‌گانه ظاهر شود، البته با اندكي زحمت مي‌توان اين انتگرالها را به صورت تحليلي حل كرد. اما اين موارد چندان زياد نيستند و در اغلب موارد به انتگرالهاي چندگانه‌اي برخورد مي‌كنيم كه حل آنها به روش تحليلي تقريبا غيرممكن است. در چنين مواردي از روش انتگرالگيري عددي استفاده مي‌شود. روشهايي كه در حل انتگرالها به روش عددي مورد استفاده قرار مي‌گيرند، شامل روش ذوزنقه‌اي ، روش سيمپسون يا سهمي ‌و روشهاي ديگر است.
البته خطاي مربوط به اين روشها متفاوت بوده و بسته به نوع مسئله‌اي كه انتگرال در آن ظاهر شده است، روش مناسب را انتخاب مي‌كنند. تقريبا دقيق‌ترين روشها ، انتگرالگيري به روش مونت كارلو مي‌باشد، كه امروزه در اكثر موارد از اين روش استفاده مي‌گردد. مزيت اين روش به روشهاي ديگر در اين است كه اولا محدوديتي وجود ندارد و انتگرال هر چندگانه كه باشد، با اين روش حل مي‌شود. در ثاني ، اين روش نسبت به روشهاي ديگر كم هزينه‌تر است.

شبيه سازي

آنچه امروزه بيشتر مورد توجه قرار دارد، شبيه سازي سيستمهاي فيزيكي است. به عنوان ابتدايي‌ترين و ساده‌ترين مورد مي‌توان به حركت آونگ ساده اشاره كرد. در اين حالت يك برنامه كامپيوتري نوشته مي‌شود، بگونه‌اي كه حركت آونگ را بر روي صفحه كامپيوتر نمايش دهد. در ضمن كليه محدوديت‌هاي فيزيكي حاكم بر حركت نيز اعمال مي‌شود. در واقع مثل اينكه بصورت تجربي آونگي را به نوسان در مي‌آوريم و دوره تناوب و ساير پارامترهاي دقيق در مسئله را تعيين مي‌كنيم. البته اين مثال خيلي ابتدايي و ساده است.
لازم به ذكر است ، شبيه سازي به روش مونت كارلو به دو صورت مي‌تواند مطرح باشد. حالت اول عبارت از شبيه سازي با رسم تصوير متوالي است. درست مانند مثالي كه در بالا اشاره كرديم. حالت دوم شبيه سازي آماري يا احتمالي است. بعنوان مثال ، انواع اندركنش‌هاي فوتون با ماده را كه به پديده‌هاي مختلفي مانند اثر فوتوالكتريك ، اثر كامپتون ، پديده توليد زوج و ... منجر مي‌گردد، با اين روش مي‌توان مورد مطالعه قرار داد.
منبع: دانشنامه رشد
/س


تبلیغات در راسخون
ارسال نظر
با تشکر، نظر شما پس از بررسی و تایید در سایت قرار خواهد گرفت.
متاسفانه در برقراری ارتباط خطایی رخ داده. لطفاً دوباره تلاش کنید.
موارد بیشتر برای شما
نجوای شبانه حیدر: مرثیه‌ای در سوگ یاس نبوی
نجوای شبانه حیدر: مرثیه‌ای در سوگ یاس نبوی
شایعات نگران‌کننده درباره حمله هسته‌ای از کجا نشئت می‌گیرد؟
play_arrow
شایعات نگران‌کننده درباره حمله هسته‌ای از کجا نشئت می‌گیرد؟
لحظاتی از تحقیر نتانیاهو به دست مردان ایران ‌زمین!
play_arrow
لحظاتی از تحقیر نتانیاهو به دست مردان ایران ‌زمین!
تصاویری از سوختن دو فروند نفتکش متخلف در تنگه هرمز
play_arrow
تصاویری از سوختن دو فروند نفتکش متخلف در تنگه هرمز
داستان موشک، در بازدید فرمانده
play_arrow
داستان موشک، در بازدید فرمانده
آیا داشتن خانه و خودرو باعث حذف کالابرگ می‌شود؟
play_arrow
آیا داشتن خانه و خودرو باعث حذف کالابرگ می‌شود؟
۴ شرط تعطیلی مدارس به روایت سخنگوی دولت
play_arrow
۴ شرط تعطیلی مدارس به روایت سخنگوی دولت
مراسم بدرقه مرحوم کوروش زارعی در حوزه هنری
play_arrow
مراسم بدرقه مرحوم کوروش زارعی در حوزه هنری
تصاویر قبل و بعد از انهدام سامانه‌های ناوبری دشمن در تنگه هرمز
play_arrow
تصاویر قبل و بعد از انهدام سامانه‌های ناوبری دشمن در تنگه هرمز
آیا قیمت بنزین تغییر می‌کند؟
play_arrow
آیا قیمت بنزین تغییر می‌کند؟
صوت کامل روضه‌خوانی عباس حیدرزاده در اولین شب مراسم عزاداری ایام شهادت حضرت فاطمةالزهرا سلام‌الله‌علیها از طرف رهبر معظم انقلاب در زینبیه
music_note
صوت کامل روضه‌خوانی عباس حیدرزاده در اولین شب مراسم عزاداری ایام شهادت حضرت فاطمةالزهرا سلام‌الله‌علیها از طرف رهبر معظم انقلاب در زینبیه
صوت کامل سخنرانی حجت‌الاسلام والمسلمین مهدی اصلانی در اولین شب مراسم عزاداری ایام شهادت حضرت فاطمةالزهرا سلام‌الله‌علیها از طرف رهبر معظم انقلاب در زینبیه
music_note
صوت کامل سخنرانی حجت‌الاسلام والمسلمین مهدی اصلانی در اولین شب مراسم عزاداری ایام شهادت حضرت فاطمةالزهرا سلام‌الله‌علیها از طرف رهبر معظم انقلاب در زینبیه
صوت کامل روضه‌خوانی حاج منصور ارضی در اولین شب مراسم عزاداری ایام شهادت حضرت فاطمةالزهرا سلام‌الله‌علیها از طرف رهبر معظم انقلاب در زینبیه
music_note
صوت کامل روضه‌خوانی حاج منصور ارضی در اولین شب مراسم عزاداری ایام شهادت حضرت فاطمةالزهرا سلام‌الله‌علیها از طرف رهبر معظم انقلاب در زینبیه
انهدام تجهیزات نظامی مزدوران سعودی در «الجوف» یمن
play_arrow
انهدام تجهیزات نظامی مزدوران سعودی در «الجوف» یمن
مسیر شهادت حضرت فاطمه زهرا (س)؛ از سقیفه تا شهادت
مسیر شهادت حضرت فاطمه زهرا (س)؛ از سقیفه تا شهادت