Ohjelmointi

Nosta kätesi ja kysy: Mikä on N-Body Simulation?

Huomaa: Suurin osa ihmisistä ei halua olla viileä, nostaa kätensä ja esittää kysymyksen, mutta monissa tapauksissa meidän pitäisi. Nämä satunnaiset "Nosta kätesi ja kysy" -viestit korostavat hienoja sanoja, jotka olet ehkä kuullut. Tavoitteenani ei ole vain selittää, mitä ne tarkoittavat (että voit etsiä), vaan myös miksi heillä on merkitystä.

Mitä N-runko tarkoittaa - ja miksi minun pitäisi huolehtia?

Kuinka tutkijat arvioivat mahdollisia parannuskeinoja HIV: lle ja AIDSille?

N-kehon simulaatiot.

Kuinka astrofyysikot tutkivat maailmankaikkeuden laajenemista ja pimeän aineen luonnetta?

N-kehon simulaatiot.

Kuinka tutkijat, jotka haluavat mahdollistaa kontrolloidun fuusion, tutkivat plasmafysiikkaa?

N-kehon simulaatiot.

N-runko tarkoittaa kirjaimellisesti "N" (jokin määrä) "kappaleita" (esineitä). N rungon simulointi on N objektin ja niiden vuorovaikutuksen simulointi ajan myötä. Muista, että jokainen N ruumiista on kiireinen liikkumassa. Siksi jokaisella kappaleella on suunta, nopeus ja ehkä varaus. Kun pyrimme simuloimaan heidän liikkumistaan ​​ajan myötä, päivitämme kutakin kehoa koskevat tiedot kussakin ajanvaiheessa. Meidän on pohdittava, mitä tapahtuu kullekin keholle joka kerta, kun ne löytävät seuraavan aikaisen askelsimulaation alkamisen.

istock

Neljä voimaa - ei vielä suuresti yhtenäinen

Elimiin kohdistuu neljä "perustavaa vuorovaikutusta": voimakas ydin, heikko ydin, sähkömagneetti ja painovoima. Kaksi ensimmäistä on voimia vain uskomattoman lyhyillä etäisyyksillä (subatomiset). Massojen välinen gravitaatiovaikutus ja varausten välinen sähkömagneettinen vuorovaikutus ovat esimerkkejä pitkän kantaman voimista. Pitkän kantaman voimat vähenevät käänteisesti etäisyyden neliönä. Toisin sanoen kaksinkertainen etäisyys tarkoittaa neljäsosaa voimasta. Tiukassa osassa meidän on ehkä otettava huomioon kaikki neljä voimaa. Kun laajennamme etäisyyttä, voimme alkaa harkita vain gravitaatiota ja sähkömagneettista. Hyvin suurilla etäisyyksillä vain painovoimalla on merkitystä, koska sähkömagneettiset voimat keskeyttävät olennaisesti toisiaan planeettojen, tähtien ja galaksien mittakaavassa.

Olettaen, että simuloimme lukuisien (N) kappaleidemme aktiivisuutta, voisimme laskea kaikki pareittain voimat tekemällä N2-laskelmia. Tämä on kohtuuttoman määrän objektien laskeminen, jota ei voida hyväksyä, ja siksi mielenkiintoinen asia N-kehon simulaatioista tulee siitä, kuinka yksinkertaistaa simulaatioitamme, jotta niiden tekeminen olisi käytännöllistä.

Arvioitu ryhmittelemällä alueisiin (lähellä tai kaukana)

Saadaksemme molempien maailmojen parhaat puolet voimme tarkastella kehoamme alueiksi ja tehdä pareittain laskelmia vain yhden alueen kehoista. Voimme keskittyä lähialueen vuorovaikutuksessa oleviin voimiin alueella ja käyttää nopeampaa menetelmää, joka perustuu pidemmän kantaman voimien kaukokenttä-likiarvoon, joka on voimassa vain järjestelmän hyvin erotettujen alueiden välillä. Menetelmät N-runko-ongelmien ratkaisemisen nopeuttamiseksi jaetaan kolmeen luokkaan: hiukkasverkkomenetelmät (parhaiten tasaisesti sijaitseville N-kappaleille), puukoodimenetelmät (sopivat paremmin kuin mesh, kun kappaleet ovat erittäin epätasaisia, kuten tähdet galaksissa) ja nopeat moninapamenetelmät (FMM, sopivat hyvin myös epätasaisille jakeluille).

Kosmisissa simulaatioissa, joissa ruumiit ovat tähtiä, planeettoja jne., Vuorovaikutukset ovat luonteeltaan painovoimaisia, koska muut voimat eivät ole merkityksellisiä. Gravitaation N-kehon simulaatioita voidaan käyttää simuloimaan taivaanmekaniikkaa, kuten maailmankaikkeuden laajenemista tai planeettojen ja komeettojen kiertoratoja.

Molekyylidynamiikkaan, nestedynamiikkaan ja plasman fysiikkaan, missä kappaleet ovat molekyylejä, atomeja tai subatomisia hiukkasia, on sisällytettävä muita voimia kuin gravitaatiota ainakin alueella, jossa kappaleet ovat lähinnä toisiaan.

Molekyylidynamiikka voi johtaa parantumiseen

Molekyylidynamiikan simulaatioilla on suuri merkitys biokemian ja molekyylibiologian aloilla. Simulaatioihin voi sisältyä proteiinien, nukleiinihappojen, kalvojen, virusten ja lääkkeiden vuorovaikutus. Tällaiset simulaatiot voivat auttaa meitä ymmärtämään sairauksia ja arvioimaan mahdollisia parannuskeinoja. Esimerkiksi viruslääke toimii yleensä joko häiritsemällä replikaatiota (estämällä viruksen leviämisen) tai estämällä sen liikkumisen kehossa (jolloin se ei kykene kulkemaan solukalvojen läpi). Simulaatiot voivat auttaa ymmärtämään tällaisten hoitojen mahdollisen tehokkuuden, kun niitä käytetään kehon monimutkaisuudessa.

N-kehon simulaatiot - avaintekniikka

Jostain syystä, jos sinulla on joukko esineitä, jotka ovat vuorovaikutuksessa toistensa kanssa, sinulla on N-kehon ongelma. Käsitteet niiden vuorovaikutuksen simuloimisesta muodostavat laajan aiheen, joka on saanut paljon huomiota. Tieto siitä, että laajaa aihetta kutsutaan "N-kehon simulaatioiksi", on ensimmäinen askel ymmärtämään, kuinka hyödyntää tätä runsaasti tutkittua ja tuettua kenttää.

Jos haluat kaivaa hieman syvemmälle, tässä on joitain suositeltuja lukemia:

  • N-kehon simulaatiot - tässä on hienoja kaavioita, Syracuse University
  • Molekyylidynamiikka ja N-kehon ongelma, Buffalon yliopisto, fysiikan laitos
  • Lyhyt kurssi nopeista moninapamenetelmistä, University of Canterbury ja New York University
  • Aloituskoodi N-kehon simulaatioille (sisältää 25 sivun kirjojen luvun aiheesta ladattavan koodin), Institute for Advanced Study ja Tokion yliopiston tähtitieteen laitos.
  • N-kehon simulaatioiden yleiskatsaus, Princeton Physics Dept.
  • Käytännön vertailu N-Body-algoritmeista, Carnegie Mellon University

Napsauta tätä ja lataa ilmainen 30 päivän Intel Parallel Studio XE -kokeilujakso