Anleitung zum Physikprogramm. Simulation von ein- und zweidimensionalen Stößen

Transkript

1 Anleitung zum Physikprogramm Simulation von ein- und zweidimensionalen Stößen

2 Inhaltsverzeichnis Kapitel: Seite: 1. Einführung 2 2. Kontaktadresse 2 3. Übersicht über die drei Hauptfenster Konfigurations-Fenster (1) Erstellen einer Kugel Erstellen einer Kugel mit zufälligen Eigenschaften Auswählen einer Kugel Ändern der Eigenschaften einer Kugel Erläuterung der verschiedenen Eigenschaften Ändern der Farbe einer Kugel Ändern der Position einer Kugel Der Update-Button Löschen einer Kugel Controller-Fenster (2) Simulation starten und pausieren (Play/Pause Button) Simulation zurücksetzen (Stop Button) Regeln der Simulationsgeschwindigkeit Einstellen der Anzeige- und Anhaltemodi Schieberegler zum Vor- und Zurückspulen Simulations-Fenster (3) Statusanzeige Zusatzfunktion der linken- und rechten Maustasten Zoom-Fenster Statusanzeigen im Zoom-Modus Zusatzfunktion der linken- und rechten Maustaste Einstellungsfenster Simulation speichern und laden 14

3 Einführung Mit dem Programm Simulation von ein- und zweidimensionalen Stößen können Stoßvorgänge bei Kugeln betrachtet und analisiert werden. Das Programm soll weiterhin den spielerischen Umgang mit der klassischen Physik ermöglichen und zum Experimentieren anregen. 2. Kontaktadresse Fragen und Anregungen, sowie Vorschlägen zur Verbesserung der Simulationssoftware als an sind jederzeit willkommen. Zusätzlicher Kontaktpartner ist das Rhön-Gymnasium Bad Neustadt:

4 Übersicht über die drei Hauptfenster Abb. 1 Komplette Abbildung des Simulationsprogrammes Direkt nach dem Start präsentiert sich Ihnen das Simulationsprogramm, wie es in Abb.1 dargestellt ist. Das Programm teilt sich in drei Hauptfenster, von denen jeder eine bestimme Aufgabe erfüllt. Diese Fenster werden nun einzeln betrachtet und beschrieben Konfigurations-Fenster (1) Im Konfigurationsfenster werden alle Kugeln der Simulation verwaltet. Es können neue Kugeln erstellt werden und die Eigenschaften von bereits erstellten Kugeln angezeigt und verändert werden.

5 Erstellen einer Kugel Mit einem Klick auf den Button ++ Kugel ++ kann eine neue Kugel der Simulation hinzugefügt werden. Diese Kugel erhält automatisch einen Namen und eine Nummer. Außerdem werden die Eigenschaften der Kugel auf bestimmte Standartwerte gestellt. Die Position der Kugel wird automatisch auf den Bildschirmmittelpunkt gesetzt, außerdem wird der Kugel eine Standartgröße und Standartmasse zugewiesen Erstellen einer Kugel mit zufälligen Eigenschaften Mit einem Klick auf den Button ++ Zufall ++ kann ebenfalls eine neue Kugel der Simulation hinzugefügt werden. Die Eigenschaften der Kugel werden jedoch nicht durch Standartwerte festgelegt, sondern per Zufallsgenerator bestimmt. So dass bei jedem Klick auf den Button eine komplett andere Kugel erscheint. Abb. 2 Konfigurationsfenster nach dem erstellen mehrerer Kugeln Auswählen einer Kugel Sobald eine oder mehrere Kugeln der Simulation hinzugefügt wurden, ändert sich das Erscheinungsbild des Konfigurationsfensters wie in Abb. 2 zu sehen ist. Eine Kugel kann ausgewählt werden, indem der Name der Kugel auf den Reiterkärtchen ganz oben im Konfigurationsfenster angeklickt wird. Sollten zu viele Kugeln vorhanden sein, sodass nicht alle Reiterkärtchen angezeigt werden können, kann man diese mit den Pfeil-Buttons (oben rechts) durchscrollen.

6 Ändern der Eigenschaften einer Kugel Die Eigenschaften einer Kugel können im Konfigurationsfenster geändert werden. Dazu wählt man zuerst die zu ändernde Kugel aus, klickt dann in das Eingabefeld der Eigenschaft und gibt dort einen geeigneten neuen Wert ein. Nachdem man alle gewünschten Eigenschaften geändert hat, müssen die Änderungen mit einem Klick auf den Button Update bestätigt werden. Ansonsten werden alle Änderungen wieder Rückgängig gemacht Erläuterung der verschiedenen Eigenschaften ID: Programminterne Nummer der Kugel. Diese Eigenschaft kann nicht verändert werden. Name: Name der Kugel. Diese Eigenschaft dient nur zur besseren Übersicht und hat keine Auswirkung auf die Simulation. Farbe: Darstellungsfarbe der Kugel in der Simulation. Auch diese Eigenschaft hat keine Auswirkung auf den Simulationsverlauf. Größe: Diese Eigenschaft bestimmt den Durchmesser der Kugel in Pixel. Geeignete Werte liegen zwischen 10 und 100 Pixel. Masse: Die Masse der Kugel bestimmt das Verhalten bei Kollisionen mit anderen Kugeln und ändert die Impulsübertragung. Geeignete Werte liegen zwischen 100 und 5000 Masseeinheiten. PosX: Diese Eigenschaft gibt die Position der Kugel auf der X-Achse an. Die X-Achse geht von links nach rechts. Geeignete Werte können z.b. an der Skala im Simulationsfenster abgelesen werden.

7 - 6 - PosY: Diese Eigenschaft gibt die Position der Kugel auf der Y-Achse an. Die Y-Achse verläuft von oben nach unten. Geeignete Werte werden der Skala im Simulationsfenster entnommen. Die beiden Eigenschaften PosX und PosY beschreiben zusammen den Ortsvektor der Kugel. Dieser Ortsvektor hat seinen Ursprung im oberen linken Bildschirmrand. Vx: Diese Eigenschaft beschreibt die Geschwindigkeit der Kugel in Richtung der X- Achse (siehe PosX). Geeignete Werte liegen zwischen und Bei einem positiven Wert für Vx bewegt sich die Kugel in der Simulation nach rechts, bei einem negativen nach links. Vy: Diese Eigenschaft beschreibt die Geschwindigkeit der Kugel in Richtung der Y- Achse (siehe PosY). Geeignete Werte liegen zwischen und Bei einem positiven Wert für Vy bewegt sich die Kugel in der Simulation nach unten, bei einem negativen nach oben. Die beiden Eigenschaften Vx und Vy beschreiben zusammen den Geschwindigkeitsvektor der Kugel. Dieser Vektor hat seinen Ursprung im Kugelmittelpunkt Ändern der Farbe einer Kugel Abb. 3 Farbe wählen Die Farbe einer Kugel ändert man durch einen Klick auf den Button Farbe. Daraufhin öffnet sich das Farbe wählen Fenster (siehe Abb.3). In diesem Fenster kann die gewünschte neue Farbe angeklickt werden. Die alte Farbe wird beibehalten, wenn man auf den Abbrechen Button klickt. Die aktuelle Farbe einer Kugel kann man im Rechteck unter dem Update Button sehen.

8 Ändern der Position einer Kugel Die Position der ausgewählten Kugel kann zum einen über die Eigenschaftseingabefelder im Konfigurationsfenster manuell gewählt werden, oder zum anderen kann die neue Position einer Kugel durch einen Rechtsklick im Simulationsfenster bestimmt werden. (siehe dazu: 3.3.2) Zusatzfunktion der linken- und rechten Maustasten) Der Update-Button Nachdem Änderungen an den Eigenschaften einer Kugel vorgenommen wurden, muss dies durch einen Klick auf den Update Button bestätigt werden. Ansonsten gehen die Änderungen beim auswählen einer anderen Kugel, oder beim Starten der Simulation verloren. Diese Bestätigung braucht es nicht beim hinzufügen oder löschen einer Kugel und nicht bei Farbänderungen (da diese die Simulation nicht beeinflussen) Löschen einer Kugel Eine Kugel kann aus der Simulation endgültig entfernt werden, indem man diese Kugel auswählt und dann den -- Kugel Button anklickt. Es erfolgt keine Sicherheitsabfrage und der Löschvorgang kann nicht rückgängig gemacht werden.

9 Controller-Fenster (2) Abb. 4 Controllerfenster Im Controllerfenster kann der Ablauf der Simulation gesteuert werden. Die Simulation kann gestartet und angehalten werden. Es kann vor- und zurückgespult werden. Außerdem können Zusatzanzeigen und Eigenschaften an- und ausgestellt werden Simulation starten und pausieren (Play/Pause Button) Durch einen Klick auf den Play/Pause Button kann die Simulation abgespielt oder pausiert werden. Die Simulation wird automatisch angehalten, wenn im Konfigurationsmenu Änderungen an den Eigenschaften einer Kugel vorgenommen werden Simulation zurücksetzen (Stop Button) Durch einen Klick auf den Stop Button werden alle Aufzeichnungen gelöscht und die Simulation auf den letzten gespeicherten Zustand zurückgesetzt Regeln der Simulationsgeschwindigkeit Die Simulationsgeschwindigkeit kann durch die + und - Button eingestellt werden. Die aktuelle Geschwindigkeit kann man in der Statusanzeige im Simulationsfenster ablesen. (siehe: 3.3.1) Statusanzeige).

10 Einstellen der Anzeige- und Anhaltemodi Mit dem Auswahlknopf [] -> (rechts neben den Simulationsgeschwindigkeitsreglern) kann man auswählen, ob im Simulationsfenster die Impulsvektoren für die Kugeln angezeigt werden sollen. Diese Anzeige erfolgt in Form von kleinen blauen Linien an den Kugeln. Der nächste Auswahlknopf [] Stop bestimmt, ob bei einer Kollision von zwei Kugeln, die Simulation angehalten werden soll. Mit dem letzten Auswahlknopf [] Zoom bestimmt man, dass bei einer Kollision zweier Kugeln die Simulation angehalten wird und das Simulationsfenster in den Zoom- Modus wechselt. Der Zoom Modus ermöglicht eine genaue Betrachtung der Kollision. (siehe: 4) Zoom-Fenster) Schieberegler zum Vor- und Zurückspulen Mit dem Schieberegler kann die Simulation vor- und zurückgespult werden. Dies geschieht in den Einstellungen eingestellten Intervallen. Es kann nur über eine bereits abgespielte Simulation gespult werden. Der mögliche Spulbereich beschränkt sich außerdem auf die eingestellten Werte. Ein Spulbereich geht verloren durch einen Klick auf den Stop Button oder durch das Ändern der Kugeleigenschaften, sowie das Löschen und Hinzufügen von Kugeln.

11 Simulations-Fenster (3) Abb. 5 Simulationsfenster mit vier Kugeln Im Simulationsfenster kann der Ablauf der Simulation grafisch betrachtet werden. Es werden alle Kugeln angezeigt. Außerdem können Zusatzinformationen eingeblendet werden Statusanzeige In der Statusanzeige (unterer Rand des Simulationsfensters) wird aktuelle Mausposition in Pixel angezeigt. Die Position ist in X- und Y-Komponente aufgespalten und kann als Information für Kugelpositionen genommen werden. Rechts daneben wird die aktuelle Spulbereichsgröße angezeigt. Diese Größe bestimmt ob bereits ein Vor- und Zurückspulen der Simulation möglich ist. Der rechts unten angezeigte Wert Faktor gibt Auskunft über die Abspielgeschwindigkeit der Simulation. Dieser Wert kann im Controllerfenster geändert werden. Am oberen Rand wird eine Skala angetragen, in der die Bildschirmkoordinaten in Pixel abgelesen werden können. Diese Skala kann in den Eigenschaften ausgestellt werden.

12 Zusatzfunktion der linken- und rechten Maustasten Mit einem Linksklick auf eine Kugel, kann im Simulationsfenster eine Kugel ausgewählt werden. Diese Kugel wird ebenfalls im Konfigurationsfenster ausgewählt und angezeigt. Die gerade ausgewählte Kugel erscheint weiß mit roter Schraffur. Mit einem Rechtsklick in einen leeren Bereich des Simulationsfensters kann die Position der gerade ausgewählten Kugel auf die Koordinaten des Mauszeigers gesetzt werden. Diese Änderung muss jedoch mit einem Klick auf den Update Button im Konfigurationsfenster bestätigt werden. 4. Zoom-Fenster Abb. 6 Simulationsfenster im Zoom-Modus Im Zoom-Modus ist die Simulation angehalten und der aktuelle Kollisionsvorgang kann genauer betrachtet werden. Dabei werden immer nur die beiden Kugeln angezeigt, die an der Kollision beteiligt waren. Der Zoom-Modus kann mit einem Klick auf den Beenden Button (unten links) verlassen werden.

13 Statusanzeigen im Zoom-Modus Der aktuelle Zoom-Faktor wird oben links angezeigt. Dieser gibt an, um wie viel die Kugeln vergrößert dargestellt werden. Dieser Wert kann in den Einstellungen geändert werden. In der Mitte des Fensters werden die zwei Kugeln dargestellt. Die zurzeit ausgewählte Kugel wird Fett dargestellt. Als gelbe Gerade ist die Stoßnormale des aktuellen Stoßvorganges angezeichnet. Dazu kommt in blauer Farbe der Geschwindigkeitsvektor der ausgewählten Kugel. In grüner und roter Farbe werden die Geschwindigkeitskomponenten der ausgewählten Kugel dargestellt. Diese Darstellung erfolgt jedoch nur bei der Betrachtung der Kollision vor der Impulsübertragung (im Modus Vorher ). Oben links können die Daten der gerade ausgewählten Kugel nochmals betrachtet werden. Vx und Vy beschreiben hierbei die Geschwindigkeitskomponenten. Px und Py stehen für die Impulskomponenten Zusatzfunktion der linken- und rechten Maustaste Mit der linken Maustaste kann im Zoom-Modus im Simulationsfenster zwischen der ersten und der zweiten Kugel als ausgewählter Kugel gewechselt werden. Dadurch verändern sich die Anzeige der Vektordarstellung und Kugeleigenschaften ebenfalls. Mit der rechten Maustaste kann zwischen dem Modus Vorher und Nachher gewechselt werden. Im Modus Vorher wird die Kollision vor der Impulsübertragung betrachtet. Hierbei wird die Geschwindigkeit der ausgewählten Kugel in Komponenten zerlegt. Im Modus Nachher wird nur die Endgeschwindigkeit der ausgewählten Kugel angezeigt.

14 Einstellungsfenster Abb. 7 Einstellungsfenster Das Einstellungsfenster kann über den entsprechenden Punkt im Dateimenu erreicht werden (siehe Abb. 8) und erlaubt die Änderung der folgenden Einstellungswerte: Kollisionswartezeit: Dieser Wert gibt in Millisekunden an, wie viel Zeit vergangen sein muss, bis zwei Kugeln auf eine erneute Kollision getestet werden. Je kleiner der Wert, desto mehr Rechenleistung wird benötigt. Bei einem zu kleinen Wert kann es zu Fehlberechnungen kommen, da eine einzelne Kollision doppelt erkannt wird. Bei einem zu großen Wert kann es jedoch passieren, dass eine Kollision überhaupt nicht erkannt wird. Sinnvolle Werte liegen zwischen 35 und 200 Millisekunden. Reibung und Reibungsfaktor: Dieser Wert gibt an, ob und wie stark die Kugeln in der Simulation gebremst werden. Der Reibungsfaktor kann zwischen 0.0 und 1.0 liegen. Je größer der Faktor ist, desto geringer ist die Reibung. Sinnvolle Werte liegen zwischen und Max. Speicherungen: Dieser Wert gibt an, wie groß der Spulbereich maximal sein kann. Ein großer Wert braucht sehr viel Rechenleistung und kann zum Absturz des Programms führen. Sinnvolle Werte liegen hier zwischen 50 und 500.

15 Speicherintervall: Dieser Wert gibt in Millisekunden an, wie viel Zeit zwischen den einzelnen Speicherungen für den Spulvorgang gewartet wird. Ist der Wert sehr klein, wird sehr oft gespeichert und die maximale Speicheranzahl ist sehr schnell erreicht. Ist der Wert zu groß, kann nicht mehr so genau gespult werden. Sinnvolle Werte liegen zwischen 20 und 250 (je nach Simulationsanforderung). Skala anzeigen: Diese Schaltfläche bestimmt, ob im Simulationsfenster eine Bildschirmkoordinatenskala angezeigt werden soll. Vergrößerungsfaktor: Dieser Wert bestimmt, um wie viel größer die Kugeln im Zoom-Modus dargestellt werden. Vektorvergrößerung: Die Vektordarstellung im Simulationsfenster und im Zoom- Modus wird sowohl um den Vergrößerungsfaktor, als auch um den Vektorvergrößerungswert skaliert. 6. Simulation speichern und laden Abb. 8 Dateimenu Die Simulation kann jederzeit gespeichert oder geladen werden, indem man die entsprechende Option im Dateimenü auswählt. Es erfolgt keine Sicherheitsabfrage beim Beenden des Programms, beim Erstellen einer neuen Simulation, oder beim Laden einer Simulationsdatei. Alle Änderungen an der aktuellen Simulation gehen hierbei verloren.