DM de potenciais descontínuos
Dinâmica molecular de potenciais descontínuos é uma abordagem computacional utilizada para determinar o movimento de partículas duras que só interagem por forças de contato. Assim, fica evidente a diferença entre o potencial Lennard-Jones pois este se baseia em uma interação de curto alcance, como é mostrado em DM: um primeiro programa. Para entender como as colisões ocorrem, conhecer a forma do potencial a ser estudado é vital. Como estamos considerando corpos rígidos, ou seja, que não sofrem deformação, percebe-se que a força de contato entre as partículas será infinita e o tempo de interação zero, o que torna impossível a descrição do problema a partir de uma integração de movimento simples. O método utilizado, a ser explicitado aqui, que resolve este problema é o evento dirigido.
Evento dirigido
A ideia do método para resolver o problema do força infinita é, ao invés de avançar o sistema em pequenos passos de tempo Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle dt} , avançar a simulação conforme as colisões forem ocorrendo. Para isso deve-se encontrar o par de partículas Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle I, J} que colidirá no menor intervalo de tempo entre todas as partículas, denotaremos tal intervalo por Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle dt_{min}} , e, então, avançar o sistema. Neste ponto teremos dois objetos colados, portanto aqui deve ser feita a mudança de velocidades de tal forma a respeitar uma colisão elástica.
Determinação do tempo de colisão
Os objetos a serem usados para o cálculo do tempo de colisão entre um par de partículas Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle i, j} serão discos de raio Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \sigma_i} , Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \sigma_j} , de distância denotada por Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \sigma} . Portanto, segue que a condição de colisão é:
- Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle |\vec{r_i}(t + dt_{ij}) - \vec{r_j}(t + dt_{ij})| = \sigma}
Com Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle r_i} sendo o vetor posição da partícula Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle i} e Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle dt_{ij}} o tempo de colisão entre as partículas Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle i, j} . Tal condição nos leva a determinação de Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle dt_{ij}} a partir da expressão:
- Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle dt_{ij} = \begin{cases} \infty & \quad \text{se } d < 0 \\ \infty & \quad \text{se } \Delta r . \Delta v > 0 \\ -\frac{\Delta \vec{r} . \Delta \vec{v} + \sqrt{d}}{\Delta \vec{v} . \Delta \vec{v}} & \quad \text{nos demais casos} \end{cases} }
Onde Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle d \equiv (\Delta \vec{r} . \Delta \vec{v})^2 - (\Delta \vec{v} . \Delta \vec{v})(\Delta \vec{r} . \Delta \vec{r} - \sigma^2) }
, Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \Delta \vec{r} = \vec{r_i} - \vec{r_j} }
e Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \Delta \vec{v} = \vec{v_i} - \vec{v_j} }
.
Com isso, consegue-se determinar o valor de Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle dt_{min} }
encontrando o menor valor de Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle dt_{ij} }
.
Mudança de velocidade em uma colisão elástica
Para fazer a mudança de velocidades temos que considerar o caso de colisão elástica entre as partículas Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle i, j } , sendo impulso dado por:
- Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \vec{J} = \frac{2m_im_j(\Delta \vec{r} . \Delta \vec{v})}{\sigma^2(m_i + m_j)}\Delta \vec{r} } .
Assim, a variação de velocidades pode ser determinada por:
- Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \Delta \vec{v_i} = -\frac{\vec{J}}{m_i} } e Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \Delta \vec{v_j} = \frac{\vec{J}}{m_j} } .
Otimização básica
Dado uma simulação de Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle N } partículas, determinar o valor de Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle dt_{min} } é uma operação de ordem Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle N^2 } , ou seja, evitar fazer esse processo todo passo de tempo economiza grande parte do tempo computacional. Uma forma simples de fazer isso é determinar e armazenar o menor Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle dt_{ij} } para cada partícula Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle i } e o índice Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle j } antes do loop temporal e em todo passo de tempo determinar o valor de Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle dt_{min} } a partir dos Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle dt_{ij} } armazenados. Assim, a cada passo de tempo seria necessário apenas atualizar o valor de Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle dt_{ij} } das partículas Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle I, J } e das que colidiriam com Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle I } ou Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle J } .
Implementação computacional
Segue a implementação computacional, na linguagem de programação C, a função utilizada para o cálculo de Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle dt_{ij}} .
void calc_dt(double *xx, double *yy, double *vx, double *vy, double *deltat, int *colide, int i, int j){
double delta_t = INF;
double dx, dy, dvx, dvy;
double drdr, dvdv, drdv;
double d;
double X, Y;
double sigma = 2*raio;
X = xx[i] - xx[j];
dx = fmod(X, Lx) - rint(fmod(X, Lx)/Lx)*Lx;
Y = yy[i] - yy[j];
dy = fmod(Y, Ly) - rint(fmod(Y, Ly)/Ly)*Ly;
dvx = vx[i] - vx[j];
dvy = vy[i] - vy[j];
drdv = dx*dvx + dy*dvy;
drdr = dx*dx + dy*dy;
dvdv = dvx*dvx + dvy*dvy;
d = pow(drdv, 2) - dvdv*(drdr - pow(sigma, 2));
if(d > 0 && drdv < 0){
delta_t = (-1)*(drdv + sqrt(d))/(dvdv);
if(delta_t < deltat[i]){
deltat[i] = delta_t;
colide[i] = j;
}
}
}
Onde foram definidos INF como um número computacionalmente grande e raio como o raio das partículas, em particular consideramos os raios de todas como iguais. Para realizar a troca de velocidades do par de partículas que colidem de forma a ser coerente com uma colisão elástica, confeccionou-se a função abaixo.
void switch_veloc(double *xx, double *yy, double *vx, double *vy, int i, int j, double *Jx, double *Jy){
double dx, dy, dvx, dvy;
double drdr, dvdv, drdv;
double deltavx, deltavy;
double sigma = 2*raio, sigma2 = pow(sigma,2), d;
double X, Y;
X = xx[i] - xx[j];
dx = fmod(X, Lx) - rint(fmod(X, Lx)/Lx)*Lx;
Y = yy[i] - yy[j];
dy = fmod(Y, Ly) - rint(fmod(Y, Ly)/Ly)*Ly;
dvx = vx[i] - vx[j];
dvy = vy[i] - vy[j];
drdv = dx*dvx + dy*dvy;
drdr = dx*dx + dy*dy;
dvdv = dvx*dvx + dvy*dvy;
Jx[i] = drdv*dx/sigma2;
Jy[i] = drdv*dy/sigma2;
deltavx = Jx[i];
deltavy = Jy[i];
//TROCA VELOCIDADES DA PARTICULA i
vx[i] -= deltavx;
vy[i] -= deltavy;
//TROCA VELOCIDADES DA PARTICULA j
vx[j] += deltavx;
vy[j] += deltavy;
}
Após alterar as velocidades basta avançar o sistema em Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle dt_{min}} . Segue um exemplo de função.
void pos(double *xx, double *yy, double *vx, double *vy, double delta_t){
int i;
for(i = 0; i < (NP); i++){
xx[i] = xx[i] + vx[i]*delta_t;
yy[i] = yy[i] + vy[i]*delta_t;
}
}
Seguindo o fluxograma apresentado e utilizando as funções disponíveis chega-se, por exemplo, na animação ao lado, que mostra o decorrer da simulação conforme ocorrem as simulações.
Adição do campo gravitacional
A adição de um campo gravitacional uniforme nesta simulação é bastante simples, basta definir uma nova variável, a qual aqui será chamada de g, e atribuir um valor de sua escolha a ela. Vale lembrar que a força gravitacional aqui computada gera um campo uniforme, ou seja, é radial em relação a cada partícula do sistema, de modo que só há força atuando na direção Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle y} , no sentido negativo de Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle y} .
Como este campo só atua em Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle y} , basta modificar as linha de código acima para adicionar um termo de tempo quadrático à variação da posição assim a linha de código fica:
yy[i] = yy[i] + vy[i]*delta_t - g*delta_t*delta_t/2;
E também adiciona-se uma aceleração em Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle y} nesta mesma parte do programa, de modo que haverá uma atualização na velocidade em Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle y} de Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle -g*dt_{min}} , ficando:
vy[i] -= g*delta_t
Mais abaixo é possível ver uma animação de como fica o sistema com essas mudanças feitas.
