Визуализация механических систем, процессов и явлений: проектные задания с использованием VPython (366,00 руб.)

Стр.3

Стр.242

Стр.243

Стр.244

УДК [532.5+539.3]:004.424(075.8) ББК 22.251+22.253+32.973 я73 К27 Печатается по решению кафедры теории упругости Института математики, механики и компьютерных наук им. И. И. Воровича Южного федерального университета (протокол № 9 от 26 апреля 2021 г.) Рецензенты: заведующий кафедрой «Теоретическая и прикладная механика» Донского государственного технического университета, доктор физико-математических наук, профессор А. Н. Соловьев; профессор теоретической и компьютерной гидроаэродинамики Южного федерального университета, доктор физико-математических наук, профессор М. А.Сумбатян Карякин, М. И. К27 Визуализация механических систем, процессов и явлений: проектные задания с использованием Vpython : учебное пособие / М. И. Карякин ; Южный федеральный университет. – Ростов-наДону ; Таганрог : Издательство Южного федерального университета, 2021. – 244 с. ISBN 978-5-9275-3827-0 Учебное пособие предназначено для студентов вузов, изучающих современные курсы или разделы курсов, связанные с моделированием явлений, происходящих в деформируемых телах и средах, с использованием математических и компьютерных методов, основанных на динамике частиц и ее приложениях. Оно может также быть использовано в качестве дополнительной литературы при изучении бакалаврских и магистерских курсов по основам алгоритмизации, программированию, теоретической механике, математическому моделированию, современным концепциям естествознания и аналогичным дисциплинам. УДК [532.5+539.3]:004.424(075.8) ББК 22.251+22.253+32.973 я73 ISBN 978-5-9275-3827-0 © Южный федеральный университет, 2021 © Карякин М. И., 2021

Стр.3

ОГЛАВЛЕНИЕ ПРЕДИСЛОВИЕ .................................................................................................. 3 ГЛАВА 1. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПАКЕТА VPYTHON ДЛЯ СОЗДАНИЯ 3D-АНИМАЦИЙ .................................................................... 7 Введение .......................................................................................................... 7 Первое знакомство .......................................................................................... 8 Установка.............................................................................................................. 8 Холст. .................................................................................................................... 9 Анимация. .......................................................................................................... 12 Математический аппарат VPython ................................................................ 13 Математические функции. ............................................................................... 13 Операции с векторами. ..................................................................................... 15 Построение графиков........................................................................................ 16 Базовые 3D-объекты ...................................................................................... 22 Цилиндр. ............................................................................................................ 22 Сфера/Эллипсоид. ............................................................................................. 25 «Простая» сфера. ............................................................................................... 26 Параллелепипед. ............................................................................................... 26 Стрелка. .............................................................................................................. 28 Присоединение стрелки. .................................................................................. 29 Спираль. ............................................................................................................. 30 Пирамида и конус. ............................................................................................ 30 Кольцо. ............................................................................................................... 31 Пространственная ломаная. ............................................................................. 32 Экструзия. ........................................................................................................... 34 Вывод текстовой информации. ........................................................................ 35 Общие характеристики объектов .................................................................. 38 Работа с цветом. ................................................................................................ 38 Прозрачность. .................................................................................................... 39 Текстуры. ............................................................................................................ 40 Дополнительные атрибуты и методы. ............................................................ 42 Холст: свойства и события ............................................................................. 45 Создание холста. ............................................................................................... 45 Основные характеристики холста. ................................................................... 46 Представление содержимого холста на экране. ............................................ 47 Освещение сцены. ............................................................................................. 50 Интерактивные элементы. ............................................................................... 50 Литература к главе 1 ...................................................................................... 57 241

Стр.242

ГЛАВА 2. ПРОЕКТНОЕ ЗАДАНИЕ «ВИЗУАЛИЗАЦИЯ МОЛЕКУЛЫ» .................................................................. 58 Формулировка задания ................................................................................. 58 Базовые сведения .......................................................................................... 61 Химическая информатика. ............................................................................... 61 Хранение и визуализация структурных данных. ............................................ 63 Формат XYZ. ........................................................................................................ 65 Формат MOL. ...................................................................................................... 65 Формат SDF. ....................................................................................................... 67 Формат PDB. ....................................................................................................... 69 Формат CML. ...................................................................................................... 73 Пример выполнения задания ....................................................................... 75 Получение файла со структурой молекулы. ................................................... 75 Обсуждение структуры программы. ............................................................... 78 Класс Atom. ........................................................................................................ 79 Класс Bond. ........................................................................................................ 82 Класс Molecule. .............................................................................................. 86 Литература к главе 2 ...................................................................................... 89 ГЛАВА 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ДВИЖЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ ........................................................................... 91 Численные методы решения задачи Коши................................................... 91 Постановка задачи. ........................................................................................... 91 Метод Эйлера и его модификации. ................................................................. 94 Методы второго порядка. ................................................................................ 98 Решение задачи Коши с использованием библиотеки scipy. ................. 103 Примеры моделирования механических систем ........................................ 109 Колебания тележки на нелинейно-упругой пружине. ................................. 109 Полет снаряда. ................................................................................................. 117 Литература к главе 3 ..................................................................................... 128 ГЛАВА 4. ПРОЕКТНОЕ ЗАДАНИЕ «ПРУЖИННАЯ МОДЕЛЬ ТВЕРДОГО ТЕЛА» ............................................. 130 Формулировка задания ................................................................................ 130 Пример выполнения задания ...................................................................... 143 Литература к главе 4 ..................................................................................... 154 ГЛАВА 5. ПРОЕКТНОЕ ЗАДАНИЕ «НЕБЕСНАЯ МЕХАНИКА» ........................................................................... 156 Формулировка задания ................................................................................ 156 Базовые сведения ......................................................................................... 161 Примеры моделирования объектов солнечной системы. .......................... 163 Задача трех тел. ............................................................................................... 182 Визуализация решения Эйлера задачи трех тел .......................................... 187 242

Стр.243

Пример выполнения задания ...................................................................... 195 Переборные задачи при моделировании астрономических систем. ........ 195 Двумерная визуализация периодических траекторий. ............................... 198 Трехмерная визуализация периодических траекторий. ............................. 204 Литература к главе 5 ..................................................................................... 210 ГЛАВА 6. ПРОЕКТНОЕ ЗАДАНИЕ «ЗНАКОМСТВО С МОЛЕКУЛЯРНОЙ ДИНАМИКОЙ» ............................. 213 Формулировка задания ................................................................................ 213 Базовые сведения ......................................................................................... 217 Молекулярная динамика. .............................................................................. 217 Краткая историческая справка. ...................................................................... 220 Потенциалы молекулярной динамики. ........................................................ 221 Пример выполнения задания ...................................................................... 226 Литература к главе 6 ..................................................................................... 238 ОГЛАВЛЕНИЕ ................................................................................................. 241 243

Стр.244