Виртуальная лаборатория механики твердых тел и жидкостей

Виртуальная лаборатория «Физика», раздел «Архимед», позволяет: Проводить школьные лабораторные работы и физические опыты с различным оборудованием для изучения законов гидростатики и исследования взаимодействия тел и жидкостей. Математически корректно рассчитывать и свободно моделировать механику и гидростатику, а также взаимодействие с объектами. При этом доступны трехмерное лабораторное оборудование и измерительные приборы без ограничения на количество объектов, одновременно используемых в Виртуальной лаборатории (концепция «песочницы»). Взаимодействовать с различными объектами (шарики, воздушные шарики, грузы, подвижный блок, кораблик и др.) и приборами (разделительная стена, штатив, наклонная доска, рычаг-линейка, фиксированные и подвижные блоки и др.). Использовать измерительные приборы (секундомер, динамометр, рычажные весы, жидкостный манометр, засечки и др.). Управлять элементами собранной схемы в процессе проведения опыта.

Программный комплекс «Универсальный механизм» - основной продукт Лаборатории. Это специализированное многофункциональное расчетное приложение, предназначенное для решения задач кинематики и динамики механических систем. Комплекс ориентирован на инженеров-исследователей расчетных отделов и бюро. В силу особенностей предметной области требует от пользователя базовых знаний в области теоретической механики, теории машин и механизмов и математического моделирования. «Универсальный механизм» состоит из ядра (UM Base) и дополнительных опциональных модулей, которые расширяют его функциональность.

Fluid WorkBench (FWB) — программный продукт для расчёта термодинамических свойств, тепло-массообменных транспортных коэффициентов, оптических свойств однородных газов и плазмы в широком диапазоне температур и давлений. Предназначен для инженеров, проводящих CFD моделирование химических процессов, горения, плазмы и микроэлектроники.

Программа предназначена для моделирования различных физических процессов и явлений в механике: движение связанных тел через блок, движение тела по наклонной плоскости, движение тела под действием внешней силы, направленной под углом при различных начальных условиях. Программа позволяет воспроизводить анимацию и вычислять различные физические величины, например, ускорение и силу. Также можно производить анализ различных графиков: зависимость скорости от времени или силы от угла ее приложения. Программа может использоваться в обучающих целях при объяснении соответствующих понятий и явлений в физике, поскольку наглядно демонстрирует происходящие процессы.

Перечень виртуальных лабораторных работ: 1. Внутренняя энергия и механическая работа 2. Внутренняя энергия и работа электрического тока 3. Закон Бойля-Мариотта 4. Закон Гей-Люссака 5. Показатель адиабаты воздуха 6. Реальные газы и точка фазового перехода 7. Куб Лесли 8. Теплопроводность 9. Тепловое расширение твердых тел 10. Аномалия воды 11. Двигатель Стирлинга модели D 12. Двигатель Стирлинга модели G 13. Тепловые насосы Тип целевого вычислительного устройства и поддерживаемая платформа: IBM–совместимый персональный компьютер под управлением Microsoft Windows. Дополнительно в комплект поставки включена веб-версия виртуальной лаборатории (платформа HTML-5), предназначенная для загрузки на сервер образовательной организации с целью проведения дистанционных занятий со студентами. Графическая составляющая программного обеспечения использует компонентную базу OpenGL 2.0. Графический интерфейс пользователя программы реализован на русском и английском языках.

Chemical WorkBench — интегрированный программный комплекс для построения кинетических механизмов и концептуального дизайна физико-химических процессов и устройств на их основе, а также анализа химических механизмов. Основными пользователями являются исследователи и инженеры, разрабатывающие технологии, в основе которых лежат физико-химические превращения, для энергетики, химической технологии, металлургии, микроэлектроники и экологии. Chemical Workbench использует последовательную пространственно – временную организацию промышленных процессов для построения концептуальной схемы процесса. Концептуальная схема процесса представляет собой последовательно соединенные базовые модели каждой из стадий процесса. Упрощённое описание гидродинамики (0D или 1D) каждой стадии процесса делает возможным моделирование с использованием детальных химических механизмов и позволяет сконцентрироваться на изучении влияния химических эффектов на течение процесса. Библиотека моделей реакторов охватывает химическую кинетику, горение, неравновесную плазму и гетерогенные реакции на границе твёрдое тело – газ и соответствует большинству стандартных экспериментов, используемым для изучения кинетики химических превращений.

«Виртуальная лаборатория «Физика», раздел «Механика» позволяет: Математически корректно рассчитывать и свободно моделировать механику и взаимодействие с объектами. Для этого доступны трехмерное лабораторное оборудование и измерительные приборы без ограничения на количество одновременно используемых объектов в Виртуальной лаборатории (концепция «песочницы»). Измерять объёмы тел, помещенных в ёмкость с жидкостью. Определять массы тел, находящихся на измерительной платформе весов. Измерять силу и определять интервалы времени, измерять высоту поднимаемого предмета. Измерять диаметр малых тел с использованием метода рядов. Набор может быть заполнен рядами различного размера. Управлять элементами собранной механической схемы в процессе проведения опыта.

Пакет для автоматического расчета распадов элементарных частиц и процессов столкновений в низшем порядке теории возмущений (приближение уровня дерева). Основная идея программы заключается в проведении расчетов и манипуляций с данными от лагранжианов до окончательных распределений с высоким уровнем автоматизации. CompHEP — это компьютерная система с графическим пользовательским интерфейсом и контекстной справкой. Все манипуляции пользователь производит с помощью графического меню. Пакет CompHEP состоит из двух частей: символьной и числовой программ. Символьная часть написана на языке программирования C. Он создает коды C для квадратов матричных элементов, которые позже используются в числовых расчетах. Символьная часть CompHEP имеет следующие возможности: - выбрать процесс, указав входящие и вылетающие частицы для распадов типов $1 \rightarrow 2, \ldots ,1 \rightarrow 5$ и столкновений типов $2 \rightarrow 2, \ldots , 2 \rightarrow 6$; - генерировать диаграммы Фейнмана, отображать их и создавать соответствующие выходные данные LATEX; исключить некоторые диаграммы; - генерировать и отображать квадратные диаграммы Фейнмана; - вычислять аналитические выражения, соответствующие диаграммам в квадратах, с помощью быстрого встроенного символьного калькулятора; - сохранять символьные результаты, соответствующие квадратам диаграмм, рассчитанным в кодах Редуц и Mathematica, для дальнейших символьных манипуляций; - генерировать оптимизированные коды C для квадратов матричных элементов для дальнейших численных расчетов; - запустить программу make, чтобы подготовить числовую часть. Числовая часть CompHEP предлагает: - свертка квадрата матричного элемента со структурными функциями и спектрами луча: доступны встроенные функции распределения партонов CTEQ и LHAPDF, спектры ISR и лучевого излучения электронов, спектр лазерных фотонов и структурные функции фотонов Вайцзеккера-Вильямса; - изменять физические параметры (полную энергию, заряды, массы частиц, заряды и т. д.), участвующие в процессе; - выбрать шкалу оценки константы связи КХД и структурных функций партона; ввести различные кинематические разрезы. Некоторые разрезы встроены, и существует специальный код для определения более сложных разрезов; - определить кинематическую схему (параметризацию фазового пространства) для эффективного интегрирования Монте-Карло; - ввести отображение фазового пространства для сглаживания острых пиков квадратов матричных элементов и структурных функций; -выполнить интеграцию фазового пространства Монте-Карло в Вегасе; генерировать события; - отображение распределений различных кинематических переменных; создавать графические и LATEX-выходные данные для гистограмм.

Mechanism WorkBench - принципиально новый программный продукт, дающий возможность использовать высокую точность детальных кинетических механизмов в массивных инженерных расчётах процессов в реагирующих средах. Используя Mechanism Workbench инженеры значительно повысят точность CFD-моделирования при сохранении времени расчёта.

Схема работы программы такова: Сначала исследователь описывает механическую систему как систему тел, соединенных шарнирами и силовыми элементами. Далее программа автоматически строит уравнения движения системы и численно их решает либо во временной либо в частотной области. В процессе численного решения поддерживается непосредственная анимация движения модели. В процессе расчета для анализа доступны практически все необходимые величины: координаты, скорости, ускорения, силы реакций в шарнирах, усилия в пружинах и т.д. Поддерживается импорт данных из следующих CAD-программ: КОМПАС-3D, SolidWorks и Autodesk Inventor. Таким образом UM Lite можно рассматривать как недорогое приложение для анализа кинематики и динамики систем, спроектированных в упомянутых выше CAD-программах. Программа UM Lite предоставляет пользователю набор инструментов для создания динамического объекта - системы тел - и последующего анализа его динамических, кинематических и статических свойств.

ЛОГОС Тепло применяется для моделирования распространения тепла или охлаждения конструкций, нахождения тепловых характеристик и оптимальных тепловых режимов оборудования.

Пакет программ EXP-T предназначен для высокоточного моделирования электронной структуры молекул с помощью релятивистского метода мультиреференсных связанных кластеров в пространстве Фока (FS-RCC). EXP-T написан с нуля на языке программирования C99 и в настоящее время ориентирован на Unix-подобные системы. Модели электронной структуры, реализованные в EXP-T: одноточечные энергетические расчеты с любыми точечными группами и (почти) всеми гамильтонианами, реализованные в DIRAC (4c-DC, X2Cmmf, 2c-ECP, нерелятивистские); расчеты энергии основного состояния: CCSD, CCSD(T), CCSDT-n (n=1,2,3), модели CCSDT; Метод FS-MRCC (CCSD, CCSDT-1,2,3, CCSDT[3]) для возбужденных состояний реализован для секторов (0h1p), (1h0p), (1h1p), (0h2p), (2h0p), (0h3p) пространства Фока; (нерелаксированная) аналитическая матрица плотности и свойства для основного состояния CCSD и CCSD(T); сдвиги "динамических" знаменателей энергии как решение задачи о нарушенном состоянии; экстраполяция Паде к пределу нулевого сдвига; промежуточные гамильтонианы для неполных основных модельных пространств; расчеты моментов переходов в конечном поле; квазидиабатизация SO-связанных состояний и извлечение SO. На данный момент пакет EXP-T не содержит подпрограмм для решения (Дирак-) Хартри-Фоковских уравнений и последующего преобразования четырех индексов, поэтому молекулярные интегралы приходится импортировать из сторонних электронно-структурных пакетов через интерфейсы. В настоящее время EXP-T сопряжен с программным пакетом DIRAC, что позволяет получить доступ к широкому разнообразию гамильтонианов и операторов свойств, реализованных в нем.

Перечень виртуальных лабораторных работ: 1. Изучение погрешностей измерения ускорения свободного падения с помощью математического маятника 2. Определение коэффициента вязкости жидкости по методу Стокса 3. Изучение законов вращательного движения на маятнике Обербека 4. Определение коэффициента вязкости воздуха 5. Определение отношения теплоемкостей газа методом адиабатического расширения 6. Изучение закона Ома 7. Исследование электростатического поля 8. Определение горизонтальной составляющей индукции магнитного поля Земли 9. Изучение магнитных свойств ферромагнетиков 10. Определение удельного заряда электрона методом магнитной фокусировки 11. Пружинный маятник 12. Сложение взаимно-перпендикулярных колебаний 13. Определение скорости звука методом стоячих волн 14. Изучение затухающих электромагнитных колебаний 15. Интерференция света. Опыт Юнга 16. Изучение дифракции света на одиночной щели и дифракционной решетке 17. Изучение дифракционного спектра 18. Изучение законов теплового излучения с помощью яркостного пирометра 19. Фотоэффект 20. Изучение оптических спектров испускания. Градуировка спектроскопа 21. Определение энергии активации полупроводника 22. Снятие ВАХ полупроводникового диода Тип целевого вычислительного устройства и поддерживаемая платформа: IBM–совместимый персональный компьютер под управлением Microsoft Windows.

«Виртуальная лаборатория «Физика», раздел «Электродинамика» позволяет: Создавать электрические схемы и проводить школьные лабораторные работы и физические опыты с различным оборудованием по электродинамике. Математически корректно рассчитывать поведение электрического тока в проводниках и в электрических элементах. Для этого доступны трехмерное лабораторное оборудование и измерительные приборы без ограничения на количество одновременно используемых объектов в Виртуальной лаборатории (концепция «песочницы»). Использовать в работе источники питания постоянного и переменного тока, пассивные элементы (резистор, реостат, потенциометр и др.), активные элементы (лампа, светодиод), измерительное оборудование (осциллограф, омметр, вольтметр и амперметр), соединительные приспособления (клеммы, ключи, провода). Управлять элементами собранной схемы в процессе проведения опыта. Что нового появилось в Виртуальной лаборатории Элементов и лабораторного оборудование стало больше, они стали красивее и реалистичнее, появились подсказки и видеоинструкция. Все настройки физических свойств элементов задаются в конструкторе до перетаскивания их на стол, а доступные для изменения свойства регулируются интерактивно с помощью ручек, кнопок и других управляющих элементов. Добавились «реальные» аналоги элементов и лабораторного оборудования: например, у «реального источника напряжения» можно выбрать внутреннее сопротивление. Одним из самых долгожданных компонентов стал «чёрный ящик». Теперь можно удобно группировать объекты, прятать их вместе в «чёрном ящике» и создавать сложные задачи с анализом скрытого содержимого. В лаборатории стало удобнее работать с появлением временного сохранения. Не забывайте «сохраняться» – это поможет вам не начинать все с начала. Новые возможности в управлении моделированием электрического тока – можно точно контролировать скорость симуляции относительно реального времени, ставить на паузу и сбрасывать в начало. Моделирование теперь не зависит от нескольких источников электрического тока – их можно включать раздельно. Электрические элементы теперь могут выходить из строя, так что придется устранить причину поломки и запустить симуляцию заново. И маленькое, но не менее приятное нововведение – возможность создавать провода разного цвета. Теперь даже в куче проводов вы сможете собрать понятную для себя схему.

«Виртуальная лаборатория «Физика», раздел «Электромагнитное поле. Фарадей» позволяет: Создавать электрические схемы и проводить школьные лабораторные работы и физические опыты с различным оборудованием по электростатике, электромагнетизму и электромагнитному полю. Математически корректно рассчитывать поведение электростатического заряда на поверхности или в объёме диэлектриков, параметры электрического тока, направление и силу векторов напряженности магнитного поля в проводниках и в электрических элементах. Для этого доступны трехмерное лабораторное оборудование и измерительные приборы без ограничения на количество объектов, одновременно используемых в Виртуальной лаборатории (концепция «песочницы»). Использовать в работе оборудование из разделов «Электростатика» и «Магнетизм»: электрофорную машину, конденсатор дисковый, металлический прут, детектор магнитного поля (демонстрирующий направление векторов напряженности магнитного поля), магнит полосовой, магнит подковообразный, электродинамическую рамку, магнитную стрелку, катушку с сердечником, электромагнитный стенд, электромагнитный соленоид, электроскоп (демонстрационное устройство, предназначенное для индикации наличия электрического заряда у взаимодействующих с ним заряженных (наэлектризованных) предметов). Управлять элементами собранной схемы в процессе проведения опыта.

Перечень виртуальных лабораторных работ: 1. Равноускоренное движение 2. Движение с равномерным ускорением 3. Законы соударения 4. Свободное падение 5. Тело брошенное под углом к горизонту 6. Изучение свойств гироскопа 7. Вращательное движение с равномерным ускорением 8. Момент инерции горизонтального стержня 9. Момент инерции различных тел 10. Маятник Максвелла Тип целевого вычислительного устройства и поддерживаемая платформа: IBM–совместимый персональный компьютер под управлением Microsoft Windows. Дополнительно в комплект поставки включена веб-версия виртуальной лаборатории (платформа HTML-5), предназначенная для загрузки на сервер образовательной организации с целью проведения дистанционных занятий со студентами. Графическая составляющая программного обеспечения использует компонентную базу OpenGL 2.0. Графический интерфейс пользователя программы реализован на русском и английском языках.