计算方法类的非常简单(真实)的实验

计算科学 数值建模 实验
2021-12-03 13:48:48

我正在为计算方法类收集材料。它将包括对常微分方程(Runge-Kutta 方法、多步方法)和抛物线和双曲线偏微分方程(有限差分、谱方法、有限体积)的数值方法的介绍,以及如何实现和使用它们。

作为该课程的一部分,我非常想向学生展示一个示例,他们可以将数值模拟的结果与(非常简单的)真实世界实验的结果进行比较。不幸的是,我并没有真正找到合适的人选。

所以我在问你们中的一个人是否能想到一个非常简单的实验

  • 可以在普通教室(不是实验室)进行
  • 只需要我可以在普通超市(或药店)买到的原料
  • 可以通过一个相对简单的数学方程来建模——想想扩散方程或线性对流方程
  • 不涉及任何危险的事情,例如火灾(显然);)

非常感谢您的帮助!

3个回答

使用弹弓追踪您在房间内射击的乒乓球的弧线。描述这一点的方程式是微不足道的(重力向下作用,摩擦力与速度的相反方向作用,并且与速度的平方成正比)。您可以在手机上记录弧线,我相信有手机软件可以让您逐帧分解视频,以便您可以使用前几帧确定位置(和初始速度)。

您只需要一个乒乓球、一根橡皮筋(用于弹弓)、一个卷尺(在投球者身后)和一部手机。

(所有这一切都受到了写这篇文章的启发: http: //epubs.siam.org/doi/abs/10.1137/100788604)。

myphysicslab上显示的一些经典物理示例怎么样钟摆或弹簧相对容易制作/获得,而且您无需特殊工具即可观察运动的周期、幅度和混沌性。

Elastica 理论/Euler Bernoulli 梁理论是一个非常好的候选者。方程相对简单(特别是在线性情况下),实验和数学模型之间通常有很好的一致性。实验设置很容易(如果您使用非常细长的梁和低负载),要确定的物理参数是几何参数(很容易用卡尺测量)和材料杨氏模量(可以从工程书籍中估计,或保留为通过一些初步实验估计的可调参数。)

例如,用三点弯曲,记录载荷-挠度曲线。使用初始切线刚度来估计杨氏模量,然后将实验结果与分析结果进行比较,并将分析结果与数值结果进行比较。然后你改变边界条件并解决其他情况......