ผลต่างระหว่างรุ่นของ "จำลองการเคลื่อนที่ด้วยคณิตศาสตร์แบบเวกเตอร์ใน VPython"

จาก Theory Wiki
ไปยังการนำทาง ไปยังการค้นหา
 
(ไม่แสดง 2 รุ่นระหว่างกลางโดยผู้ใช้คนเดียวกัน)
แถว 66: แถว 66:
 
:<math>||\mathbf{v}|| = \sqrt{x^2+y^2}</math>
 
:<math>||\mathbf{v}|| = \sqrt{x^2+y^2}</math>
  
ขนาดของเวกเตอร์คำนวณได้จากฟังก์ชัน <tt>mag()</tt> ในโมดูล vis ดังตัวอย่าง
+
ขนาดของเวกเตอร์คำนวณได้จากคุณสมบัติ <tt>mag</tt> ดังตัวอย่าง
  
  >>> from vis import vector,mag
+
  >>> from vis import vector
 
  >>> v = vector(3,4)
 
  >>> v = vector(3,4)
  >>> print mag(v)
+
  >>> print v.mag
 
  5.0
 
  5.0
  
 
ดังนั้นสำหรับเวกเตอร์ใด ๆ ที่ขนาดไม่เป็นศูนย์ เราสามารถสร้างเวกเตอร์หนึ่งหน่วยที่ชี้ไปทางเดียวกับเวกเตอร์นั้น โดยการหารเวกเตอร์นั้นด้วยขนาดของมันเอง ดังตัวอย่าง
 
ดังนั้นสำหรับเวกเตอร์ใด ๆ ที่ขนาดไม่เป็นศูนย์ เราสามารถสร้างเวกเตอร์หนึ่งหน่วยที่ชี้ไปทางเดียวกับเวกเตอร์นั้น โดยการหารเวกเตอร์นั้นด้วยขนาดของมันเอง ดังตัวอย่าง
  
  >>> u = v/mag(v)
+
  >>> u = v/v.mag
  >>> print(u)
+
  >>> print u
 
  <0.6, 0.8, 0>
 
  <0.6, 0.8, 0>
  >>> print mag(u)
+
  >>> print u.mag
 
  1.0
 
  1.0
  
แถว 89: แถว 89:
 
 
 
:<math>\mathbf{s}(t+\Delta t) = \mathbf{s}(t) + \mathbf{v}(t)\Delta t</math>
 
:<math>\mathbf{s}(t+\Delta t) = \mathbf{s}(t) + \mathbf{v}(t)\Delta t</math>
 +
 +
ซึ่งมีความหมายว่าเราสามารถทราบตำแหน่งของวัตถุหลังจากที่เวลาผ่านไป <math>\Delta t</math> ได้โดยอาศัยความเร็วและตำแหน่งปัจจุบันของมัน
  
 
ในทำนองเดียวกัน ความสัมพันธ์ระหว่างความเร่ง <math>\mathbf{a}(t)</math> และความเร็ว <math>\mathbf{v}(t)</math> สามารถเขียนในรูป
 
ในทำนองเดียวกัน ความสัมพันธ์ระหว่างความเร่ง <math>\mathbf{a}(t)</math> และความเร็ว <math>\mathbf{v}(t)</math> สามารถเขียนในรูป
แถว 104: แถว 106:
 
scene.range = 100  # กำหนดช่องหน้าต่างแสดงผลให้ครอบคลุมรัศมี 100 หน่วยจากศูนย์กลางจอ
 
scene.range = 100  # กำหนดช่องหน้าต่างแสดงผลให้ครอบคลุมรัศมี 100 หน่วยจากศูนย์กลางจอ
  
# สร้างลูกบอลสีเหลืองรัศมี 5 หน่วยไว้ที่พิกัด (20,30)
+
# สร้างลูกบอลสีเหลืองรัศมี 5 หน่วยไว้ที่พิกัด (-50,-50)
 
ball = vis.sphere(pos=(-50,-50),radius=5,color=vis.color.yellow,make_trail=True)
 
ball = vis.sphere(pos=(-50,-50),radius=5,color=vis.color.yellow,make_trail=True)
  

รุ่นแก้ไขปัจจุบันเมื่อ 10:25, 19 ตุลาคม 2558

วิกินี้เป็นส่วนหนึ่งของรายวิชา 01204223
เนื้อหาในวิกินี้ดัดแปลงมาจากกิจกรรมประกอบหนังสือเรียนรายวิชาเพิ่มเติม เทคโนโลยีสารสนเทศและการสื่อสาร ภาษาไพทอน โดยสถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

คลาส vector ใน VPython

โมดูล visual และ vis ในไลบรารี VPython รองรับการประมวลผลทางคณิตศาสตร์เชิงเวกเตอร์โดยเตรียมคลาสชื่อ vector เพื่อใช้สร้างปริมาณเวกเตอร์ตั้งแต่หนึ่งถึงสามมิติ ตัวอย่างต่อไปนี้เป็นการนิยามเวกเตอร์ และเวกเตอร์ ไว้ในตัวแปร u และ v ตามลำดับ

>>> from vis import vector
>>> u = vector(2,3)
>>> v = vector(3,-4)
>>> print u,v
<2, 3, 0> <3, -4, 0>

จะเห็นว่าเวกเตอร์ที่สร้างขึ้นมีขนาด 3 มิติ อย่างไรก็ตามตัวอย่างทั้งหมดในเอกสารนี้จะสนใจเพียงสองมิติแรก ซึ่งหากไม่สนใจมิติที่สามแล้วค่าของ u และ v ข้างต้นจะสอดคล้องกับแผนภาพดังนี้

Vpython-vec1.png

ปริมาณในแต่ละมิติของเวกเตอร์สามารถอ้างถึงผ่านคุณลักษณะชื่อ x และ y ของเวกเตอร์นั้น ๆ และยังอ้างอิงตามรูปแบบลิสต์ได้เช่นกัน ตัวอย่างเช่น

>>> v = vector(2,3)
>>> print v.x,v.y
2.0 3.0
>>> print v[0],v[1]
2.0 3.0
>>> v.x = -8.5
>>> print v
<-8.5, 3, 0>

การบวกและลบเวกเตอร์

เนื่องจากภาษาไพทอนรองรับการทำ Operator Overloading ข้อมูลชนิดเวกเตอร์ที่สร้างขึ้นจากคลาส vector ของ VPython สามารถนำมาประมวลผลด้วยตัวดำเนินการทางคณิตศาสตร์ + และ – ได้ทันที ดังตัวอย่าง

>>> from vis import vector
>>> u = vector(2,3)
>>> v = vector(3,-4)
>>> w1 = u+v
>>> w2 = u-v
>>> print w1,w2
<5, -1, 0> <-1, 7, 0>

ซึ่งสอดคล้องกับแผนภาพ

Vpython-vec-add-sub.png

การคูณและหารเวกเตอร์ด้วยสเกลาร์

ปริมาณเวกเตอร์ที่สร้างขึ้นสามารถนำมาคูณหรือหารด้วยปริมาณสเกลาร์ผ่านตัวดำเนินการ * และ /

>>> w3 = u*2
>>> w4 = v/2
>>> print w3
<4, 6, 0>
>>> print w4
<1.5, -2, 0>

ซึ่งให้ผลลัพธ์เป็นเวกเตอร์ใหม่ที่ขนาดเปลี่ยนไปแต่ยังคงทิศทางเดิม ดังแผนภาพ

Vpython-vec-mul-div.png

ขนาดของเวกเตอร์

เวกเตอร์ 2 มิติ มีขนาด (หรือความยาว) ตามทฤษฎีของปีทาโกรัสดังนี้

ขนาดของเวกเตอร์คำนวณได้จากคุณสมบัติ mag ดังตัวอย่าง

>>> from vis import vector
>>> v = vector(3,4)
>>> print v.mag
5.0

ดังนั้นสำหรับเวกเตอร์ใด ๆ ที่ขนาดไม่เป็นศูนย์ เราสามารถสร้างเวกเตอร์หนึ่งหน่วยที่ชี้ไปทางเดียวกับเวกเตอร์นั้น โดยการหารเวกเตอร์นั้นด้วยขนาดของมันเอง ดังตัวอย่าง

>>> u = v/v.mag
>>> print u
<0.6, 0.8, 0>
>>> print u.mag
1.0

การประยุกต์ใช้กฎการเคลื่อนที่เพื่อจำลองการเคลื่อนไหวของวัตถุ

กฎการเคลื่อนที่พื้นฐานกล่าวไว้ว่าสำหรับวัตถุใด ๆ แล้ว ความเร็วของวัตถุ และตำแหน่งของวัตถุ มีความสัมพันธ์ตามสมการ

ในกรณีที่ มีค่าน้อย หรือ มีค่าคงที่ ซึ่งจะได้ว่า

ซึ่งมีความหมายว่าเราสามารถทราบตำแหน่งของวัตถุหลังจากที่เวลาผ่านไป ได้โดยอาศัยความเร็วและตำแหน่งปัจจุบันของมัน

ในทำนองเดียวกัน ความสัมพันธ์ระหว่างความเร่ง และความเร็ว สามารถเขียนในรูป

ตัวอย่างสคริปต์ด้านล่างแสดงการคำนวณความเร็วและตำแหน่งของวัตถุโดยใช้สมการการเคลื่อนที่ข้างต้นมาประมวลผลด้วยคณิตศาสตร์แบบเวกเตอร์ จากนั้นนำมาสร้างเป็นภาพเคลื่อนไหวด้วย VPython ได้ดังนี้

# set encoding=utf8
import vis

DELTA_T = 0.05

scene = vis.display(width=500,height=500)
scene.range = 100  # กำหนดช่องหน้าต่างแสดงผลให้ครอบคลุมรัศมี 100 หน่วยจากศูนย์กลางจอ

# สร้างลูกบอลสีเหลืองรัศมี 5 หน่วยไว้ที่พิกัด (-50,-50)
ball = vis.sphere(pos=(-50,-50),radius=5,color=vis.color.yellow,make_trail=True)

ball.vel = vis.vector(20,30)   # กำหนดความเร็วต้นของลูกบอล
ball.acc = vis.vector(0,-9.8)  # กำหนดความเร่งของลูกบอลตามแรงโน้มถ่วงของโลก

# เตรียมลูกศรเพื่อแสดงทิศทางและขนาดของความเร็วปัจจุบันของลูกบอล
arrow = vis.arrow(shaftwidth=1)

# เตรียมป้ายข้อความเพื่อใช้แสดงผลเวลาปัจจุบัน
txt = vis.label(pos=(5,90))
txt.time = 0.0

while True:
    vis.rate(30)  # หน่วงเวลาให้แอนิเมชันอัพเดตไม่เกิน 30 ครั้งต่อวินาที
    ball.vel += ball.acc*DELTA_T   # คำนวณความเร็วใหม่จากความเร่งปัจจุบัน
    ball.pos += ball.vel*DELTA_T   # คำนวณตำแหน่งใหม่จากความเร็วปัจจุบัน
    arrow.pos = ball.pos
    arrow.axis = ball.vel    # ลากลูกศรแสดงทิศทางและขนาดของความเร็ว
    txt.time += DELTA_T
    txt.text = 'Time: %.2f s' % txt.time

ทดลองรันสคริปต์ข้างต้นควรเห็นผลลัพธ์ดังภาพ

Vpython-projectile.png