Краткие теоретические положения. Построение непрерывно-детерминированных моделей простейших физических процессов и систем

Построение непрерывно-детерминированных моделей простейших физических процессов и систем

Методические указания

для студентов направления 230100

«Информатика и вычислительная техника»

специальности 230101 «Вычислительные машины,

комплексы, системы и сети»

Тула 2010

ЛАбораторная работа 2

Построение непрерывно-детерминированных моделей простейших физических процессов и систем

Цель работы: знакомство с принципами построения и использования непрерывно-детерминированных моделей различных процессов и систем.

Краткие теоретические положения

В процессе создания математической модели происходит переход от содержательного описания к формальному алгоритму. Промежуточным звеном между ними может служить математическая схема.

Существует ряд типовых математических схем, которые могут лечь в основу разрабатываемого конкретного моделирующего алгоритма.

К ним относятся следующие схемы (модели):

• непрерывно-детерминированные модели (D-схемы);

• дискретно-детерминированные модели (F-схемы);

• дискретно-стохастические модели (Р-схемы);

• непрерывно-стохастические модели (Q-схемы).

К непрерывно-детерминированным моделямотносятся модели, описываемые системами обыкновенных дифференциальных уравнений или уравнений в частных производных. В качестве независимой переменной, от которой зависят неизвестные искомые функции, обычно служит время. Тогда вектор-функция искомых переменных будет непрерывной. Математические схемы такого вида отражают динамику изучаемой системы и поэтому называются D-схемами (англ. dynamic).

Общего метода составления дифференциальных уравнений для описания различных физических процессов не существует. Можно лишь дать некоторые указания. Вначале необходимо решить, какую из величин взять за независимую переменную, а какую – за искомую функцию. Пусть решено, что – искомая зависимость между характеристиками и изучаемого процесса. При составлении дифференциального уравнения, решением которого является функция , необходимо выразить приращение этой функции через приращение независимой переменной, то есть выразить разность через величины, о которых говорится в задаче. Разделив эту разность на и перейдя к пределу при , получим дифференциальное уравнение, описывающее изучаемый процесс. Во многих случаях искомая зависимость определяется исходя из закона или экспериментального факта, установленного для той или иной области естествознания.

Пример 1.Тело, имеющее в начальный момент температуру , поместили в среду, температура которой поддерживается неизменной и равна . Как будет меняться с течением времени температура тела, если скорость ее изменения пропорциональна разности температур тела и окружающей среды.

Решение.Пусть – температура тела в момент времени . По условию задачи

где – коэффициент пропорциональности. Разделяя переменные, получим

Учитывая начальное условие , находим искомую зависимость

.

Пример 2.Сосуд, площадь поперечного сечения которого есть известная функция высоты , наполнен жидкостью до высоты H. В дне сосуда имеется отверстие площадью , через которое жидкость вытекает. Определить время , за которое уровень жидкости понизится от начального положения до произвольного и время полного опорожнения сосуда, если известно, что скорость истечения жидкости через отверстие, находящееся не расстоянии ниже уровня жидкости равна

Решение. Пусть высота жидкости в сосуде в некоторый момент времени равна . Количество жидкости , вытекающее из сосуда за промежуток времени численно равно объему цилиндра с площадью основания и высотой Этот же объем может быть вычислен другим способом. За указанный промежуток времени уровень жидкости понизится на величину . Поэтому Итак, Разделив обе часть последнего равенства на и переходя к пределу при , получим дифференциальное уравнение

По условию задачи . Разделяя переменные, получим

Полагая , находим время полного опорожнения сосуда

Задание на работу

Сформулировать математические модели для решения двух задач и найти их решения.

Порядок выполнения работы

1. По своему варианту для задачи №1 сформулировать математическую модель в виде дифференциального уравнения.

2. Решить полученное в п. 1 уравнение аналитически или с помощью специального пакета математических программ (напр., Maple, Matlab, Mathematica).

3. Показать решение преподавателю.

4. Аналогично решить задачу №2 по своему варианту.

5. Оформить отчет по работе.

Варианты заданий

77-79, 80-82, 84-86, 91-93

Вариант 1

1. Сосуд объемом 20 л содержит воздух (80% азота и 20% кислорода). В сосуд втекает 0,1 л азота в секунду, который непрерывно перемешивается, и вытекает такое же количество смеси. Построить математическую модель процесса. Считать, что втекающий газ вследствие перемешивания распределяется по всему объему сосуда равномерно. С помощью построенной модели определить, через какое время в сосуде будет 99% азота.

2. Тело охладилось за 10 мин от 100° до 60°. Температура окружающего воздуха поддерживается равной 20°. Построить математическую модель процесса. Считать, что скорость остывания тела пропорциональна разности температур тела и окружающей среды. С помощью построенной модели определить, через какое время тело остынет до 25°.

Вариант 2

1. В баке находится 100 л раствора, содержащего 10 л соли. В бак непрерывно подается вода (5 л в минуту), которая перемешивается с имеющимся раствором. Смесь вытекает с той же скоростью. Построить математическую модель процесса. Считать, что втекающая вода вследствие перемешивания распределяется по всему объему сосуда равномерно. С помощью построенной модели определить, сколько соли останется в баке через час.

2. За тридцать дней распалось 50% первоначального количества радиоактивного вещества. Построить математическую модель процесса. Использовать закон радиоактивного распада: количество радиоактивного вещества, распадающегося в единицу времени пропорционально количеству вещества, имеющемуся в рассматриваемый момент. С помощью построенной модели определить, через какое время останется 1% от первоначального количества вещества.

Вариант 3

1. Парашютист прыгнул с высоты 1,5 км, а раскрыл парашют на высоте 0,5 км. Известно, что предельная скорость падения человека в воздухе нормальной плотности составляет 50 м/с. Построить математическую модель процесса. Считать ускорение свободного падения равным 10 м/с². Изменением плотности воздуха с высотой пренебречь. Сопротивление воздуха пропорционально квадрату скорости. С помощью построенной модели определить, сколько времени парашютист падал до раскрытия парашюта.

2. В сосуд, содержащий 1 кг воды при температуре 20°, опущен алюминиевый предмет с массой 0,5 кг, удельной теплоемкостью 0,2 и температурой 75°. Через минуту вода нагрелась на 2°. Построить математическую модель процесса. Считать, что скорость остывания (нагревания) тела пропорциональна разности температур тела и окружающей среды. С помощью построенной модели определить, через какое время температура воды и предмета будут отличаться одна от другой на 1°. Потерями тепла на нагревание сосуда пренебречь

Вариант 4

1. В воздухе комнаты объемом 200 м³ содержится 0,15% углекислого газа. Вентилятор подает в минуту 20 м³ воздуха, содержащего 0,04% углекислого газа. Построить математическую модель процесса. Считать, что втекающий газ вследствие перемешивания распределяется по всему объему сосуда равномерно. С помощью построенной модели определить, через какое время количество углекислого газа в воздухе комнаты уменьшится втрое.

2. Футбольный мяч весом 0,4 кГ брошен вверх со скоростью 20 м/с. Сопротивление воздуха пропорционально квадрату скорости и равно 0,48 Г при скорости 1 м/с. Построить математическую модель процесса. Считать ускорение свободного падения равным 10 м/с². Изменением плотности воздуха с высотой пренебречь. С помощью построенной модели определить, время подъема мяча и наибольшую высоту подъема.

Вариант 5

1. Согласно опытам, в течение года из каждого грамма радия распадается 0,44 мг. Построить математическую модель процесса. Использовать закон радиоактивного распада: количество радиоактивного вещества, распадающегося в единицу времени пропорционально количеству вещества, имеющемуся в рассматриваемый момент. С помощью построенной модели определить, через сколько лет распадется половина имеющегося радия.

2. Кусок металла с температурой а градусов помещен в печь, температура которой в течение часа равномерно повышается от а градусов до b градусов. При разности температур печи и металла в Т градусов металл нагревается со скоростью kT градусов в минуту. Построить математическую модель процесса. Считать, что скорость нагревания тела пропорциональна разности температур тела и окружающей среды. С помощью построенной модели определить температуру металла через час.

Вариант 6

1. Лодка замедляет свое движение под действием сопротивления воды, которое пропорционально скорости лодки. Начальная скорость лодки равна 1,5 м/c, через 4 секунды ее скорость – 1 м/с. Построить математическую модель процесса. С помощью построенной модели определить, какой путь может пройти лодка до остановки.

2. В исследованном куске горной породы содержится 100 мг урана и 14 мг уранового свинца. Известно, что уран распадается наполовину за 4,5×10⁹ лет и что при полном распаде 238 г урана образуется 206 г уранового свинца. Построить математическую модель процесса. Использовать закон радиоактивного распада: количество радиоактивного вещества, распадающегося в единицу времени пропорционально количеству вещества, имеющемуся в рассматриваемый момент. Считать, что в момент образования горная порода не содержала свинца, и пренебречь наличием промежуточных радиоактивных продуктов между ураном и свинцом (так как они распадаются намного быстрее урана). С помощью построенной модели определить возраст горной породы.