Gás Livre

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O QUE É?

Este modelo é o modelo de gás mais simples do conjunto de modelos "Laboratório de Gases". As partículas estão se movendo e colidindo umas com as outras sem restrições externas, como gravidade ou recipientes. Neste modelo, as partículas são modeladas como perfeitamente elásticas sem energia, exceto sua energia cinética - que é devido ao seu movimento. As colisões entre partículas são elásticas. As partículas são coloridas de acordo com sua velocidade - azul para lento, verde para médio e vermelho para alto.

Este modelo faz parte de uma série de modelos GasLab. Eles usam as mesmas regras básicas para simular o comportamento dos gases. Cada modelo integra diferentes recursos para destacar diferentes aspectos do comportamento do gás.

O princípio básico dos modelos é que as partículas de gás têm duas ações elementares: movem-se e colidem - seja com outras partículas ou com quaisquer outros objetos, como paredes.

COMO FUNCIONA

O princípio básico de todos os modelos "Laboratório de Gases" é o seguinte algorítmo

1) Uma partícula se move em linha reta sem alterar sua velocidade, a menos que colida com outra partícula ou salte na parede. 2) Duas partículas "colidem" se se encontrarem no mesmo patch (a visão do NetLogo é composta por uma grade de pequenos quadrados chamados patches). Neste modelo, duas partículas são direcionadas para que colidam na origem. 3) É escolhido um ângulo de colisão das partículas, como se fossem duas bolas sólidas que se chocam, e esse ângulo descreve a direção da linha que liga seus centros. 4) As partículas trocam momento e energia apenas ao longo desta linha, conforme a conservação de momento e energia para colisões elásticas. 5) Cada partícula recebe sua nova velocidade, direção e energia.

COMO UTILIZÁ-LO

Configurações iniciais: - NÚMERO DE PARTÍCULAS: o número de partículas de gás. - RASTRO ?: Desenha o caminho de uma partícula individual. - COLIDE ?: Liga e desliga colisões entre partículas. - VELOCIDADE-INICIAL-PARTICULA: a velocidade inicial de cada partícula - todas começam com a mesma velocidade. - MASSA DE PARTÍCULAS: a massa de cada partícula - todas têm a mesma massa.

Como na maioria dos modelos NetLogo, a primeira etapa é pressionar CONFIGURAR. Ele coloca nas condições iniciais que você definiu com os controles deslizantes. Certifique-se de esperar até que o botão SETUP pare antes de pressionar GO. O botão INICIAR executa os modelos repetidamente. Este é um botão "para sempre".

Monitores: - Monitores POR CENTO RÁPIDO, POR CENTO MÉDIO, POR CENTO LENTO: porcentagem de partículas com velocidades diferentes: rápido (vermelho), médio (verde) e lento (azul). - VELOCIDADE MÉDIA: velocidade média das partículas. - ENERGIA MÉDIA: energia cinética média das partículas.

Parcelas: - CONTAGEM DE VELOCIDADE: plota o número de partículas em cada faixa de velocidade (rápida, média ou lenta). - HISTOGRAMA DE VELOCIDADE: distribuição da velocidade de todas as partículas. A linha cinza é o valor médio e a linha preta é a média inicial. Os valores exibidos para a velocidade são dez vezes os valores reais. - HISTOGRAMA DE ENERGIA: a distribuição das energias de todas as partículas, calculada como (m * v ^ 2) / 2. A linha cinza é o valor médio e a linha preta é a média inicial.

Inicialmente, todas as partículas têm a mesma velocidade, mas direções aleatórias. Portanto, os primeiros gráficos de histograma de velocidade e energia devem mostrar apenas uma coluna cada. Conforme as partículas colidem repetidamente, elas trocam energia e partem em novas direções, e as velocidades são dispersas - algumas partículas ficam mais rápidas, outras ficam mais lentas, e o gráfico mostrará essa mudança.

QUESTÕES NOTÁVEIS

O que está acontecendo com o número de partículas de cores diferentes? Por que existem mais partículas azuis do que vermelhas?

Você pode observar as colisões e mudanças de cor conforme elas acontecem? Por exemplo, quando uma partícula vermelha atinge uma partícula verde, que cor cada uma delas se torna?

Por que a velocidade média (velocidade média) cai? Isso viola a conservação de energia?

Este gás está em um "espaço infinito" - sem limites, sem obstruções, mas ainda com um tamanho finito! Existe uma situação física como esta?

Observe a partícula cujo caminho é traçado no desenho. Observe como o caminho "envolve" o mundo. O traço se assemelha ao movimento browniano? Você consegue reconhecer quando ocorre uma colisão? Que fatores afetam a frequência das colisões? E a "angularidade" do caminho? Você poderia fazê-lo permanecer "local" ou viajar pelo mundo todo?

QUESTÕES A SE TENTAR

Coloque todas as partículas em uma parte do mundo, ou com o mesmo título - o que acontece? Isso corresponde a uma possibilidade física?

Experimente configurações diferentes, especialmente os extremos. Os histogramas são diferentes? O padrão de rastreamento muda?

Existem outras quantidades interessantes para acompanhar?

Procure ou calcule o número * real *, o tamanho, a massa e a velocidade das partículas em um gás típico. Quando você compara esses números com os do modelo, fica surpreso que o modelo funcione tão bem? Que fenômenos físicos poderiam ser observados se realmente houvesse um pequeno número de grandes partículas no espaço ao nosso redor?

Costumamos dizer que o espaço sideral é um vácuo. Isso é verdade mesmo? Quantas partículas haveria em um espaço do tamanho deste computador?

Comments and Questions

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globals
[
  tick-delta                      ;; how much we advance the tick counter this time through
  max-tick-delta                  ;; the largest tick-delta is allowed to be
  init-avg-speed init-avg-energy  ;; initial averages
  avg-speed avg-energy            ;; current averages
  fast medium slow                ;; current counts
  percent-fast percent-medium     ;; percentage of the counts
  percent-slow                    ;; percentage of the counts

]

breed [ particles particle ]

particles-own
[
  speed mass energy          ;; particle info
  last-collision
]

to setup
  clear-all
  set-default-shape particles "circle"
  set max-tick-delta 0.1073
  make-particles
  update-variables
  set init-avg-speed avg-speed
  set init-avg-energy avg-energy
  reset-ticks
end 

to go
  ask particles [ move ]
  ask particles
  [ if colidir? [check-for-collision] ]
  ifelse (rastro?)
    [ ask particle 0 [ pen-down ] ]
    [ ask particle 0 [ pen-up ] ]
  tick-advance tick-delta
  if floor ticks > floor (ticks - tick-delta)
  [
    update-variables
    update-plots
  ]
  calculate-tick-delta

  display
end 

to update-variables
  set medium count particles with [color = green]
  set slow count particles with [color = blue]
  set fast count particles with [color = red]
  set percent-medium (medium / count particles) * 100
  set percent-slow (slow / count particles) * 100
  set percent-fast (fast / count particles) * 100
  set avg-speed  mean [speed] of particles
  set avg-energy  mean [energy] of particles
end 

to calculate-tick-delta
  ;; tick-delta is calculated in such way that even the fastest
  ;; particle will jump at most 1 patch length in a tick. As
  ;; particles jump (speed * tick-delta) at every tick, making
  ;; tick length the inverse of the speed of the fastest particle
  ;; (1/max speed) assures that. Having each particle advance at most
  ;; one patch-length is necessary for them not to jump over each other
  ;; without colliding.
  ifelse any? particles with [speed > 0]
    [ set tick-delta min list (1 / (ceiling max [speed] of particles)) max-tick-delta ]
    [ set tick-delta max-tick-delta ]
end 

to move  ;; particle procedure
  if patch-ahead (speed * tick-delta) != patch-here
    [ set last-collision nobody ]
  jump (speed * tick-delta)
end 

to check-for-collision  ;; particle procedure
  ;; Here we impose a rule that collisions only take place when there
  ;; are exactly two particles per patch.

  if count other particles-here = 1
  [
    ;; the following conditions are imposed on collision candidates:
    ;;   1. they must have a lower who number than my own, because collision
    ;;      code is asymmetrical: it must always happen from the point of view
    ;;      of just one particle.
    ;;   2. they must not be the same particle that we last collided with on
    ;;      this patch, so that we have a chance to leave the patch after we've
    ;;      collided with someone.
    let candidate one-of other particles-here with
      [who < [who] of myself and myself != last-collision]
    ;; we also only collide if one of us has non-zero speed. It's useless
    ;; (and incorrect, actually) for two particles with zero speed to collide.
    if (candidate != nobody) and (speed > 0 or [speed] of candidate > 0)
    [
      collide-with candidate
      set last-collision candidate
      ask candidate [ set last-collision myself ]
    ]
  ]
end 

;; implements a collision with another particle.
;;
;; THIS IS THE HEART OF THE PARTICLE SIMULATION, AND YOU ARE STRONGLY ADVISED
;; NOT TO CHANGE IT UNLESS YOU REALLY UNDERSTAND WHAT YOU'RE DOING!
;;
;; The two particles colliding are self and other-particle, and while the
;; collision is performed from the point of view of self, both particles are
;; modified to reflect its effects. This is somewhat complicated, so I'll
;; give a general outline here:
;;   1. Do initial setup, and determine the heading between particle centers
;;      (call it theta).
;;   2. Convert the representation of the velocity of each particle from
;;      speed/heading to a theta-based vector whose first component is the
;;      particle's speed along theta, and whose second component is the speed
;;      perpendicular to theta.
;;   3. Modify the velocity vectors to reflect the effects of the collision.
;;      This involves:
;;        a. computing the velocity of the center of mass of the whole system
;;           along direction theta
;;        b. updating the along-theta components of the two velocity vectors.
;;   4. Convert from the theta-based vector representation of velocity back to
;;      the usual speed/heading representation for each particle.
;;   5. Perform final cleanup and update derived quantities.

to collide-with [ other-particle ] ;; particle procedure
  ;;; PHASE 1: initial setup

  ;; for convenience, grab some quantities from other-particle
  let mass2 [mass] of other-particle
  let speed2 [speed] of other-particle
  let heading2 [heading] of other-particle

  ;; since particles are modeled as zero-size points, theta isn't meaningfully
  ;; defined. we can assign it randomly without affecting the model's outcome.
  let theta (random-float 360)



  ;;; PHASE 2: convert velocities to theta-based vector representation

  ;; now convert my velocity from speed/heading representation to components
  ;; along theta and perpendicular to theta
  let v1t (speed * cos (theta - heading))
  let v1l (speed * sin (theta - heading))

  ;; do the same for other-particle
  let v2t (speed2 * cos (theta - heading2))
  let v2l (speed2 * sin (theta - heading2))



  ;;; PHASE 3: manipulate vectors to implement collision

  ;; compute the velocity of the system's center of mass along theta
  let vcm (((mass * v1t) + (mass2 * v2t)) / (mass + mass2) )

  ;; now compute the new velocity for each particle along direction theta.
  ;; velocity perpendicular to theta is unaffected by a collision along theta,
  ;; so the next two lines actually implement the collision itself, in the
  ;; sense that the effects of the collision are exactly the following changes
  ;; in particle velocity.
  set v1t (2 * vcm - v1t)
  set v2t (2 * vcm - v2t)



  ;;; PHASE 4: convert back to normal speed/heading

  ;; now convert my velocity vector into my new speed and heading
  set speed sqrt ((v1t ^ 2) + (v1l ^ 2))
  set energy (0.5 * mass * (speed ^ 2))
  ;; if the magnitude of the velocity vector is 0, atan is undefined. but
  ;; speed will be 0, so heading is irrelevant anyway. therefore, in that
  ;; case we'll just leave it unmodified.
  if v1l != 0 or v1t != 0
    [ set heading (theta - (atan v1l v1t)) ]

  ;; and do the same for other-particle
  ask other-particle [
    set speed sqrt ((v2t ^ 2) + (v2l ^ 2))
    set energy (0.5 * mass * (speed ^ 2))
    if v2l != 0 or v2t != 0
      [ set heading (theta - (atan v2l v2t)) ]
  ]

  ;; PHASE 5: final updates

  ;; now recolor, since color is based on quantities that may have changed
  recolor
  ask other-particle
    [ recolor ]
end 

to recolor  ;; particle procedure
  ifelse speed < (0.5 * 10)
  [
    set color blue
  ]
  [
    ifelse speed > (1.5 * 10)
      [ set color red ]
      [ set color green ]
  ]
end 

;;;
;;; drawing procedures
;;;


;; creates initial particles

to make-particles
  create-particles numero-de-particulas
  [
    setup-particle
    random-position
    recolor
  ]
  calculate-tick-delta
end 

to setup-particle  ;; particle procedure
  set speed velocidade-inicial-particula
  set mass massa-particulas
  set energy (0.5 * mass * (speed ^ 2))
  set last-collision nobody
end 


;; place particle at random location inside the box.

to random-position ;; particle procedure
  setxy ((1 + min-pxcor) + random-float ((2 * max-pxcor) - 2))
        ((1 + min-pycor) + random-float ((2 * max-pycor) - 2))
end 

to-report last-n [n the-list]
  ifelse n >= length the-list
    [ report the-list ]
    [ report last-n n butfirst the-list ]
end 

;; histogram procedure

to draw-vert-line [ xval ]
  plotxy xval plot-y-min
  plot-pen-down
  plotxy xval plot-y-max
  plot-pen-up
end 


; Copyright 1997 Uri Wilensky.
; See Info tab for full copyright and license.

There is only one version of this model, created over 4 years ago by Marcos Taira.

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