Компьютерное моделирование физических процессов, объектов и систем — это методика построения моделей реально существующих или предполагаемых физических процессов, объектов и систем и их анализа при помощи компьютерного оборудования.
Введение
Физика как научное направление ещё с момента своего появления уделяла большое внимание наблюдениям, но при этом всё время оставалась и наукой экспериментов. Наблюдения и эксперименты заложены в основание всех физических познаний. При проведении эксперимента учёный согласно своим целям изучения меняет, осуществляет регулировку и контроль условий, в которых происходят изучаемые процессы. При наблюдениях учёный не способен повлиять на условия, в которых происходят изучаемые процессы, поскольку он просто должен зафиксировать, что происходит.
Все возможные экспериментальные действия могут быть поделены на два типа, а именно, количественные и качественные. Качественные эксперименты, как более простые, имеют своей целью в большинстве случаев лишь подтверждение факта наличия процесса или явления. Как правило, такие эксперименты не предполагают использование сложного технического оснащения.
Количественные эксперименты используются чаще качественных и предполагают наличие достаточно непростого технического оснащения. Задача количественного, по-другому измерительного, эксперимента состоит в установлении количественного соотношения параметров, описывающих состояние процесса или объекта.
В зависимости от того, выполняются ли экспериментальные исследования непосредственно с процессом или объектом, или же с его прообразом, то есть моделью, можно выделить натурные и модельные эксперименты. При выполнении модельных экспериментов изучение осуществляется при помощи моделирования реальных объектов, а сформированные итоги и выводы должны быть пересчитаны на данные реальные объекты. Моделью может быть физический объект, схожий по заданным параметрам с исследуемым объектом, а также совокупность математических уравнений, которые описывают конкретный изучаемый физический объект.
Компьютерное моделирование физических процессов, объектов и систем.
В обобщённом варианте процесс моделирования подразделяется на следующие этапы:
- Формулировка задачи и назначения основных параметров оригинала, которые подлежат исследованию.
- Подтверждение факта невозможности изучения свойств оригинального объекта при помощи натурных экспериментов.
- Формирование модели, удовлетворяющей в достаточной степени отражению свойств оригинального объекта и обладающей возможностью её изучения.
- Изучение модели согласно намеченным целям и поставленным задачам.
- Отображение итогов изучения модели на реальном объекте.
- Осуществление анализа и проверки итоговых результатов.
Главными проблемами теории моделирования считаются формирование моделей и перенесение итогов исследований на реальный объект, которые можно решить при помощи эффективных общих методик.
Весь известный набор моделей делится на две категории, а именно, логические и материальные модели. В свою очередь логические модели бывают образного типа и образно-знакового типа. Образные модели отображают свойства исследуемого процесса или объекта при помощи наглядных чувственных образов, которые имеют прообразы в компонентах оригинала или в материальном мире.
Знаковые или символические модели способны отображать свойства изучаемого объекта при помощи условных обозначений или символов. К этой группе следует отнести и математические и другие формулы, выражения и уравнения. Образно-знаковые модели имеют признаки обеих групп.
Математической моделью является модель, которая обеспечивает переход к оригинальному объекту, фиксирование и изучение его характеристик и отношений при помощи методов математики. Математическим моделированием является замена оригинального процесса или объекта его математической моделью, которая обеспечивает фиксирование и изучение свойств и отношений оригинального объекта, а также возможность перехода к оригиналу при посредстве методик математики.
Чтобы реализовать конкретную математическую модель следует сформировать алгоритм её осуществления на компьютерном оборудовании. Алгоритмом является не бесконечная очерёдность воспринимаемых чётко и однозначно элементарных операций (шагов), которая направлена на разрешение поставленной задачи. Алгоритм обладает следующими основными свойствами:
- Свойство дискретности, то есть алгоритм должен быть сформирован из набора последовательных шагов.
- Свойство однозначности, то есть все шаги должны восприниматься ясно и однозначно.
- Свойство конечности, то есть алгоритм обязан вести к разрешению поставленной задачи за конечный временной интервал.
- Свойство массовости означает, что алгоритм формулируется в обобщённом формате, то есть его можно применить к определённой группе задач, которые отличаются только начальными данными.
Алгоритм компьютерного моделирования выглядит следующим образом:
- Формулировка начальной математической модели в формате дискретной задачи.
- Непосредственная разработка алгоритма вычислений для разрешения данной задачи на компьютере.
Основным предназначением компьютеров прежде всего является решение вычислительных задач. Вычислительные задачи на компьютере могут быть решены при помощи следующих средств:
- Специализированные математические программные пакеты.
- Программные приложения, сформированные на одном из алгоритмических языков в определённой системе программирования.
Математическими компьютерными пакетами являются специальные программные пакеты, которые предназначены для разрешения математических проблем и ориентированы на пользователей, не обладающих программистскими навыками.
