Zespół Szkół Ogólnokształcących w Bobowej

Zespół Szkół Ogólnokształcących w Bobowej

Zespół Szkół Ogólnokształcących w Bobowej

Zespół Szkół Ogólnokształcących w Bobowej

Zespół Szkół Ogólnokształcących w Bobowej

Zespół Szkół Ogólnokształcących w Bobowej

Zespół Szkół Ogólnokształcących w Bobowej

Zespół Szkół Ogólnokształcących w Bobowej

Zespół Szkół Ogólnokształcących w Bobowej

Zespół Szkół Ogólnokształcących w Bobowej

Zespół Szkół Ogólnokształcących w Bobowej

Zespół Szkół Ogólnokształcących w Bobowej

Zespół Szkół Ogólnokształcących w Bobowej

Zespół Szkół Ogólnokształcących w Bobowej

Zespół Szkół Ogólnokształcących w Bobowej

Zespół Szkół Ogólnokształcących w Bobowej

Zespół Szkół Ogólnokształcących w Bobowej

Zespół Szkół Ogólnokształcących w Bobowej

Zespół Szkół Ogólnokształcących w Bobowej

Zespół Szkół Ogólnokształcących w Bobowej

Zespół Szkół Ogólnokształcących w Bobowej

Zespół Szkół Ogólnokształcących w Bobowej

Zespół Szkół Ogólnokształcących w Bobowej

graw_orzelOd tysięcy lat gatunek ludzki wpatruje się w gwiazdy. Zaledwie od kilkuset lat rozumiemy, że Ziemia nie jest centrum Wszechświata, a od kilkudziesięciu, że jesteśmy zaledwie mikroskopijną cząstką, czegoś naprawdę ogromnego. Do początków XX wieku naszym pojęciem o Kosmosie rządziły głównie filozofia i religia. Koncepcje Einsteina czasu i przestrzeni, mechanika kwantowa oraz fizyka statystyczna zmieniły sposób patrzenia na gwiazdy. Prawdziwe rozmiary kosmosu potrafiliśmy ocenić, gdy możliwe stało się wystrzelenie aparatury badawczej w przestrzeń kosmiczną. Dziś wiemy, że cały nasz obserwowalny Wszechświat, to tylko niewielki fragment powłoki, ogromnego, ciągle rozszerzającego się „balonu”. Zapewne teraźniejsze osiągnięcia w tej dziedzinie, to tylko wstęp do czekającej nas prawdziwej eksploracji Kosmosu, której głównym celem jest między innymi kolonizacja dalekich planet.

 

Spoglądając w rozgwieżdżone niebo możemy zauważyć, że otaczający nas świat daje nam możliwość obserwacji i badań praktycznie nieograniczonej liczby zjawisk fizycznych. Są to zarówno zjawiska bezpośrednio nam dostępne i doświadczalne przez nasze zmysły, na przykład związane z ciepłem, światłem, ruchem ciał, jak też zjawiska, które badać możemy jedynie pośrednio, za pomocą przyrządów stanowiących niejako przedłużenie naszych zmysłów. Do tej grupy zaliczyć możemy zjawiska astrofizyczne, obserwowane w naszej części wszechświata, jak i zjawiska z mikroświata atomów. Jedną z fundamentalnych dziedzin nauki, która zajmuje się badaniem tych zjawisk jest mechanika, której przedmiotem jest badanie i opisywanie ruchów ciał. Początkowo przedmiotem zainteresowań mechaników był ruch pojedynczego ciała. Zagadnienie to w naturalny sposób uogólniono na zagadnienie ruchu wielu ciał w polu grawitacyjnym.

Złożone problemy, z którymi ma do czynienia fizyka, prawie zawsze nie są rozwiązywalne analitycznie. Opisywane w dalszej części pracy równanie ruchu ciał, wynikające z II zasady dynamiki Newtona, jest równaniem różniczkowym zwyczajnym drugiego rzędu, które jest rozwiązywalne jedynie przy założeniu stałej wartości masy ciała i niezależnej od czasu siły na nie działającej. Rzeczywisty ruch ciała jest zjawiskiem o wiele bardziej skomplikowanym, i w ogólnym przypadku nierozwiązywalnym analitycznie, ze względu na niepewność, co do wartości siły działającej na ciało w ruchu.

Rozwój komputerów i technik obliczeniowych dał możliwość rozwiązywania wyżej wymienionych zagadnień oraz wpłynął stymulująco na intensywny rozwój teoretycznych i eksperymentalnych badań poprzez uzyskiwanie rozwiązań w eksperymencie komputerowym, który często nazywany jest symulacją komputerową, a nowy dział nauki - fizyką obliczeniową. Współczesna fizyka obliczeniowa zajmuje sie zastosowaniem algorytmów numerycznych do rozwiązywania zagadnień, których jakościowy oraz ilościowy opis określają teorie i modele wypracowane w poszczególnych działach fizyki. Są to m.in. fizyka jądrowa i fizyka plazmy, fizyka cząstek elementarnych, fizyka materii skondensowanej, astrofizyka, fizyka kwantowa.

Eksperyment komputerowy nie jest procesem jednorazowym i wymaga wielu prób i testów zarówno na etapie budowy fizycznego modelu, jak i na etapie projektowania algorytmu numerycznego. Zazwyczaj pierwsze wyniki ukazują niedoskonałości opisu modelu. Nie jest też łatwo określić, które algorytmy dają poprawne i dokładne wyniki.

Praca ta ma na celu zaznajomić czytelnika z elementarnymi zagadnieniami komputerowego modelowania i symulowania dynamicznych zjawisk fizycznych z dziedziny oddziaływań grawitacyjnych. Nie ma charakteru ściśle naukowego, dlatego brak w niej wyprowadzeń wzorów; podane są tylko te, które są niezbędne do zrozumienia działania zjawiska i symulacji komputerowej. Opracowany program komputerowy, oparty jest wyłącznie możliwości, jakie oferuje arkusz kalkulacyjny. Dlaczego takie środowisko? Można oczywiście napisać go w bardziej wydajnym języku, przy użyciu bibliotek umożliwiających lepszą animację i lepszą interakcję z użytkownikiem. Wydaje mi się, że taki sposób prezentacji nadaje większą wartość edukacyjną, bo daje możliwość samodzielnego „poprawiania” programu i wykorzystania obliczeń do dalszych badań. Moce obliczeniowe współczesnych komputerów sprawiają, że nie ma problemów z „wyliczeniem”. Jeśli pojawiają się problemy, to związane są z dokładnością obliczeń. Jednak nie należy oczekiwać, że w programie będzie można podziwiać realistyczne i trójwymiarowe obrazy. Służy on jedynie do celów edukacyjnych, dla chcących przeprowadzić symulację ruchu ciał w polu grawitacyjnym. Z tego też względu ograniczono jego możliwości do zdefiniowania rzeczywistych własności czterech obiektów (planet, gwiazd) i rakiety. Ograniczono też symulację ruchu do płaszczyzny.

W kolejnych rozdziałach pracy starałem się przybliżyć szereg faktów związanych z ogólnie rozumianymi lotami kosmicznymi. Temat jest oczywiście bardzo rozległy, mimo dość krótkiej historii poznawania kosmosu. W pierwszej części czytelnik zaznajomi się z historią lotów, stanem obecnym i tym, co nas może czekać w przyszłości. Kolejny rozdział skupia się na fizycznych i technicznych aspektach lotów kosmicznych oraz krótko omawia stan prac nad silnikami rakietowymi. Lotami kosmicznymi rządzą prawa fizyki, a wśród nich prawo powszechnego ciążenia. Sposób dochodzenia do poznania i zrozumienia tych idei omówiony jest w rozdziale o grawitacji. Ostatnie dwa rozdziały dotyczą już zastosowania komputerów w symulacji zjawisk fizycznych, a w szczególności poruszania się planet i lotów kosmicznych. Pierwszy z nich omawia kilka podstawowych algorytmów stosowanych w tego typu symulacjach, a drugi, i zarazem ostatni rozdział pracy, omawia działanie programu komputerowego oraz przybliża obsługę na podstawie kilku gotowych schematów. W zakończeniu pracy dowiemy się o tym, czego nie udało się zrealizować w programie oraz o tym, co autor pracy zamierza zmienić w przyszłych jego wersjach.

PRACA DYPLOMOWA do pobrania

Zobacz tutaj