Simulez le mouvement des atomes comme suit en utilisant le potentiel de Leonard Jones
idéal
http://www.engineering-eye.com/AUTODYN/function/index.html
Leonard Jones Potentiel lorsque la distance entre deux particules est $ r_ {ij} $:
\begin{eqnarray}
U(r_{ij})&=&4ε((\frac{σ}{r_{ij}})^{12}-(\frac{σ}{r_{ij}})^{6})\\
&=&4ε(\frac{σ}{r_{ij}})^{6}((\frac{σ}{r_{ij}})^{6}-1)
\end{eqnarray}
Pour les particules $ N $
\begin{eqnarray}
U(\vec{x_1},...,\vec{x_N})&=&4ε\sum_{i=1}^{N}\sum_{j=i+1}^{N}((\frac{σ}{r_{ij}})^{12}-(\frac{σ}{r_{ij}})^{6})\\
\end{eqnarray}
La force agissant sur l'atome $ i $ sous le potentiel de Leonard Jones est due au gradient à la distance interatomique $ r $.
\begin{eqnarray}
\vec{F}_i&=&-∇U(\vec{x_1},...,\vec{x_N})\\
&=&24ε\sum_{j=1,j≠i}^{N}\frac{1}{r_{ij}^2}(\frac{σ}{r_{ij}})^{6}(1-2(\frac{σ}{r_{ij}})^{6})\vec{r}_{ij}\\
\end{eqnarray}

https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%AC%E3%83%8A%E3%83%BC%E3%83%89-%E3%82%B8%E3%83%A7%E3%83%BC%E3%83%B3%E3%82%BA%E3%83%BB%E3%83%9D%E3%83%86%E3%83%B3%E3%82%B7%E3%83%A3%E3%83%AB
Pour réduire la quantité de calcul, un rayon de coupure de $ r_ {cut} $ est fourni, et les forces des particules (sur la grille) plus éloignées de $ r_ {cut} $ sont ignorées car leur contribution est faible.
Divisez l'espace en cubes de $ r_ {cut} × r_ {cut} × r_ {cut} $ et gérez les particules appartenant à chaque grille.
Pour les particules dans une grille spécifique, seule la force des particules dans les grilles adjacentes est calculée.

L'équation cinétique de l'équation différentielle du second ordre est transformée en équation différentielle simultanée du premier ordre et calculée par la méthode Lungekutter.
\begin{eqnarray}
m\frac{d^2\vec{r}}{dt^2}=\vec{F}\\
\end{eqnarray}
↓
\begin{eqnarray}
\frac{d\vec{r}}{dt}&=&\vec{f}(\vec{r},\vec{v},t)=\vec{v}\\
\frac{d\vec{v}}{dt}&=&\vec{g}(\vec{r},\vec{v},t)=\frac{\vec{F}(\vec{r},\vec{v},t)}{m}\\
\end{eqnarray}
Mise à jour par la méthode Rungekutta
\begin{eqnarray}
\vec{k_1} &=& dt×\vec{f}(\vec{r},\vec{v},t)=dt×\vec{v}\\
\vec{l_1} &=& dt×\vec{g}(\vec{r},\vec{v},t)=dt×\frac{\vec{F}(\vec{r},\vec{v},t)}{m}\\
\vec{k_2} &=& dt×\vec{f}(\vec{r}+\frac{\vec{k_1}}{2},\vec{v}+\frac{\vec{l_1}}{2},t+\frac{dt}{2})=dt×(\vec{v}+\frac{\vec{l_1}}{2})\\
\vec{l_2} &=& dt×\vec{g}(\vec{r}+\frac{\vec{k_1}}{2},\vec{v}+\frac{\vec{l_1}}{2},t+\frac{dt}{2})=dt×\frac{\vec{F}(\vec{r}+\frac{\vec{k_1}}{2},\vec{v}+\frac{\vec{l_1}}{2},t+\frac{dt}{2})}{m}\\
\vec{k_3} &=& dt×\vec{f}(\vec{r}+\frac{\vec{k_2}}{2},\vec{v}+\frac{\vec{l_2}}{2},t+\frac{dt}{2})=dt×(\vec{v}+\frac{\vec{l_2}}{2})\\
\vec{l_3} &=& dt×\vec{g}(\vec{r}+\frac{\vec{k_2}}{2},\vec{v}+\frac{\vec{l_2}}{2},t+\frac{dt}{2})=dt×\frac{\vec{F}(\vec{r}+\frac{\vec{k_2}}{2},\vec{v}+\frac{\vec{l_2}}{2},t+\frac{dt}{2})}{m}\\
\vec{k_4} &=& dt×\vec{f}(\vec{r}+\vec{k_3},\vec{v}+\vec{l_3},t+dt)=dt×(\vec{v}+\vec{l_3})\\
\vec{l_4} &=& dt×\vec{g}(\vec{r}+\vec{k_3},\vec{v}+\vec{l_3},t+dt)=dt×\frac{\vec{F}(\vec{r}+\vec{k_3},\vec{v}+\vec{l_3},t+dt)}{m}\\
\vec{r}(t+dt)&=&\vec{r}(t)+\frac{\vec{k_1}+2\vec{k_2}+2\vec{k_3}+\vec{k_4}}{6}\\
\vec{v}(t+dt)&=&\vec{v}(t)+\frac{\vec{l_1}+2\vec{l_2}+2\vec{l_3}+\vec{l_4}}{6}\\
\end{eqnarray}
La position $ \ vec {r} (t + dt) $ à $ t + dt $ ・ La vitesse $ \ vec {v} (t + dt) $ est calculée séquentiellement par la formule ci-dessus.
import numpy as np
from abc import abstractmethod
import matplotlib.pyplot as plt
from mpl_toolkits.mplot3d import Axes3D
import matplotlib.animation as animation
import random
import math
import datetime
class Particle():
    def __init__(self, pos = [0.0, 0.0, 0.0], vel = [0.0, 0.0, 0.0], force = [0.0, 0.0, 0.0], mass = 1.0, type = -1):
        self.pos = np.array(pos)
        self.vel = np.array(vel)
        self.force = np.array(force)
        self.mass = mass
        self.type = type
    #Leonard Jones Force agissant entre des particules sous potentiel
    @staticmethod
    def force(pos1, pos2, eps = 1.0, sigma = 1.0):
        #return np.array([0, 0, 0])
        r2 = ((pos2 - pos1)**2).sum()
        if abs(r2) < 0.00001:  
            return np.array([0.0, 0.0, 0.0])
        sig6_div_r6 = (sigma**2 / r2)**3
        #print("force : ", 24 * eps * (1/r2) * sig6_div_r6 * (1 - 2 * sig6_div_r6) * (pos2 - pos1))
        return 24 * eps * (1/r2) * sig6_div_r6 * (1 - 2 * sig6_div_r6) * (pos2 - pos1)
    
class Calculater():
    #Position de la particule après dt(pos)Et vitesse(vel)Est mis à jour par la méthode Rungekutta
    @staticmethod
    def runge_kutta(particle, adjuscent_particles, ps, dt, t, eps, sigma):
        k1 = dt * particle.vel
        l1 = 0
        for p in adjuscent_particles:
            l1 += dt * Particle.force(pos1 = particle.pos, pos2 = p.pos, eps = eps, sigma = sigma) / particle.mass
        l1 += dt * ps.force(particle.pos, particle.vel, particle, t)
        
        k2 = dt * (particle.vel + k1 / 2)
        l2 = 0
        for p in adjuscent_particles:
            l2 = dt * Particle.force(particle.pos + l1/2, p.pos, eps, sigma) / particle.mass
        l2 += dt * ps.force(particle.pos + l1/2, particle.vel + k1/2, particle, t + dt/2)
        
        k3 = dt * (particle.vel + k2 / 2)
        l3 = 0
        for p in adjuscent_particles:
            l3 = dt * Particle.force(particle.pos + l2/2, p.pos, eps, sigma) / particle.mass
        l3 += dt * ps.force(particle.pos + l2/2, particle.vel + k2/2, particle, t + dt/2)
        
        k4 = dt * (particle.vel + k3)
        l4 = 0
        for p in adjuscent_particles:
            l4 = dt * Particle.force(particle.pos + l3, p.pos, eps, sigma) / particle.mass
        l4 += dt * ps.force(particle.pos + l3, particle.vel + k3, particle, t + dt)
        
        particle.pos += (k1 + 2*k2 + 2*k3 + k4)/6
        particle.vel += (l1 + 2*l2 + 2*l3 + l4)/6
        
    #Position de la particule après dt(pos)Et vitesse(vel)Est mis à jour par la méthode Euler
    @staticmethod
    def euler(particle, adjuscent_particles, ps, dt, t, eps, sigma):
        f = 0
        for p in adjuscent_particles:
            f += dt * Particle.force(pos1 = particle.pos, pos2 = p.pos, eps = eps, sigma = sigma) / particle.mass
        f += dt * ps.force(particle.pos, particle.vel, particle, t)
        particle.pos += dt * particle.vel
        particle.vel += dt * f
    
class ParticleSystem():
    # 
    def __init__(self, cutoff_r, NX, NY, NZ, e = 0.9, mass = 1, eps = 1, sigma = 1):
        self.cutoff_r = cutoff_r
        self.NX = NX
        self.NY = NY
        self.NZ = NZ
        self.X_MAX = cutoff_r * NX
        self.Y_MAX = cutoff_r * NY
        self.Z_MAX = cutoff_r * NZ
        self.e = e
        self.mass = mass
        self.eps = eps
        self.sigma = sigma
        self.time = 0.0
        self.prev_timestamp = 0.0
        self.fps = 0.1
        self.particles = []
        self.snapshots = []
        self.fig = plt.figure()
        self.ax = self.fig.add_subplot(111, projection='3d')
        self.gif_output_mode = False
        self.init_particles()
        self.update_cells()
        self.setup_particle_type_dict()
    
    #Trouvez la force agissant sur toutes les particules et la position / vitesse après dt.
    def update(self, dt, calc_method):
        self.time += dt
        #update_forces_on_particle()
        self.update_pos_and_vel(dt, calc_method)
        self.update_cells()
    
    '''
    #Calculez la force agissant sur toutes les particules.
    #Aboli car il est peu probable qu'il soit utilisé avec la méthode Rungekutta.
    def update_forces_on_particle():
        for particle in self.particles:
            particle.force = 0
            #Calculer la force interparticulaire agissant sur la particule
            for p in get_particles_adjuscent_cell(particle):
                f = Particle.force(particle.pos, p.pos)
                particle.force += f
            particle.force += self.force(particle)
    '''
    
    #Calcule la position et le temps après dt de toutes les particules_Calculez avec méthode.
    def update_pos_and_vel(self, dt, calc_method):
        for particle in self.particles:
            calc_method(particle = particle, adjuscent_particles = self.get_particles_adjuscent_cell(particle), ps = self, dt = dt, t = self.time, eps = self.eps, sigma = self.sigma)
            #Faites-le rebondir aux deux extrémités de l'espace.(Coefficient de rebond e)
            if particle.pos[0] < 0:
                #particle.pos[0] += 2*(0 - particle.pos[0])
                particle.pos[0] = 0.0
                particle.vel[0] = -self.e * particle.vel[0]
            if particle.pos[0] > self.X_MAX:
                #particle.pos[0] -= 2*(particle.pos[0] - self.X_MAX)
                particle.pos[0] = self.X_MAX - 0.0001
                particle.vel[0] = -self.e * particle.vel[0]
            if particle.pos[1] < 0:
                #particle.pos[1] += 2*(0 - particle.pos[1])
                particle.pos[1] = 0.0
                particle.vel[1] = -self.e * particle.vel[1]
            if particle.pos[1] > self.Y_MAX:
                #particle.pos[1] -= 2*(particle.pos[1] - self.Y_MAX)
                particle.pos[1] = self.Y_MAX - 0.0001
                particle.vel[1] = -self.e * particle.vel[1]
            if particle.pos[2] < 0:
                #particle.pos[2] += 2*(0 - particle.pos[2])
                particle.pos[2] = 0.0
                particle.vel[2] = -self.e * particle.vel[2]
            if particle.pos[2] > self.Z_MAX:
                particle.pos[2] = self.Z_MAX - 0.0001
                #particle.pos[2] -= 2*(particle.pos[2] - self.Z_MAX)
                particle.vel[2] = -self.e * particle.vel[2]
        if self.gif_output_mode is True:
            self.take_snapshot(save_to_snapshots = True)
    
    #Obtenez la liste des particules contenues dans la cellule contenant la cellule de particule et les 26 cellules adjacentes
    def get_particles_adjuscent_cell(self, particle):
        particles = []
        index = self.get_cellindex_from_pos(particle.pos)
        for i in range(index[0] - 1, index[0] + 1):
            for j in range(index[1] - 1, index[1] + 1):
                for k in range(index[2] - 1, index[2] + 1):
                    try:
                        for p in self.cell[i][j][k] if self.cell[i][j][k] is not None else []:
                            if p is not particle: 
                                particles.append(p)
                    except IndexError:
                        continue
        return particles
                    
    #Calculez l'indice de cellule à partir de la position des particules.
    def get_cellindex_from_pos(self, pos):
        return [int(pos[0] / self.cutoff_r), int(pos[1] / self.cutoff_r), int(pos[2] / self.cutoff_r)]
    
    #Mettre à jour la cellule à laquelle appartient chaque particule
    def update_cells(self):
        self.cell = [[[ [] for i in range(self.NX)] for j in range(self.NY)] for k in range(self.NZ)]
        for p in self.particles:
            try:
                index = self.get_cellindex_from_pos(p.pos)
                self.cell[index[0]][index[1]][index[2]].append(p)
            except Exception as e:
                print("Exception : ", e)
                print("pos : ", p.pos)
                #input()
    
    #Obtenir la liste des particules
    def get_particles(self):
        return self.particles
    
    #Obtenir du temps
    def get_time(self):
        return self.time
    
    #Prenez un instantané de l'état des particules. Il n'est pas affiché.
    def take_snapshot(self, save_to_snapshots = False):
        if self.time - self.prev_timestamp > self.fps:
            self.ax.set_title("Time : {}".format(self.time))
            self.ax.set_xlim(0, self.X_MAX)
            self.ax.set_ylim(0, self.Y_MAX)
            self.ax.set_zlim(0, self.Z_MAX)
            scats = []
            for type, particles in self.particle_dict.items():
                x_list = []
                y_list = []
                z_list = []
                for p in particles[0]:
                    x_list.append(p.pos[0])
                    y_list.append(p.pos[1])
                    z_list.append(p.pos[2])
                scats.append(self.ax.scatter(x_list, y_list, z_list, c=particles[1]))
            if save_to_snapshots is True:
                self.snapshots.append(scats)
                print(len(self.snapshots))
            self.prev_timestamp = self.time
    
    #Afficher l'état des particules
    def show_snapshot(self):
        if self.time - self.prev_timestamp > 0.1:
            self.fig = plt.figure()
            self.ax = self.fig.add_subplot(111, projection='3d')
            self.take_snapshot()
            #plt.savefig('box_gravity_time-{}.png'.format(self.time))
            plt.show()
            self.prev_timestamp = self.time
    
    #Mode d'écriture sur un fichier gif
    def start_output_gif(self, fps = 0.1):
        self.gif_output_mode = True
        self.snapshots = []
        self.take_snapshot(save_to_snapshots = True)
    
    #mode d'écriture du fichier gif désactivé. Écrire dans un fichier
    def stop_output_gif(self, filename = "hoge.gif"):
        print("stop_output_gif : ", len(self.snapshots))
        self.gif_output_mode = False
        ani = animation.ArtistAnimation(self.fig, self.snapshots)
        ani.save(filename, writer='imagemagick')
        self.snapshots = []
    
    #Faites un dictionnaire pour chaque type de particule.
    def setup_particle_type_dict(self):
        self.particle_dict = {}
        for p in self.particles:
            if str(p.type) not in self.particle_dict:
                #Attribuer une couleur aléatoire à chaque type de particule
                self.particle_dict[str(p.type)] = [[], tuple([random.random() for _ in range(3)])]
            self.particle_dict[str(p.type)][0].append(p)
    
    #Calculer l'énergie cinétique de toutes les particules
    def get_kinetic_energy(self):
        return  sum([(p.mass*np.array(p.vel)**2).sum()/2 for p in self.particles])
    
    #Initialisation des particules
    @abstractmethod    
    def init_particles(self):
        raise NotImplementedError()
    
    #Le pouvoir de fonctionner en tant que système(Gravité etc.)
    @abstractmethod
    def force(self, pos, vel, particle, t):
        raise NotImplementedError()
#Système d'armée de particules en forme de boîte sous gravité
class BoxGravitySystem(ParticleSystem):
    def __init__(self, cutoff_r, NX, NY, NZ, e, mass, eps, sigma):
        super().__init__(cutoff_r, NX = NX, NY = NY, NZ = NZ, e = e, mass = mass, eps = eps, sigma = sigma)
        
    #Génère une armée de particules 10x10x10 en forme de boîte en bas. La vitesse initiale est réglée pour aller en diagonale vers le haut.
    def init_particles(self):
        for x in np.linspace(0.1*self.X_MAX, 0.2*self.X_MAX, 10):
            for y in np.linspace(0.1*self.Y_MAX, 0.2*self.Y_MAX, 10):
                for z in np.linspace(0.1*self.Z_MAX, 0.2*self.Z_MAX, 10):
                    self.particles.append(Particle(pos = [x, y, z], vel=[0.1*self.X_MAX, 0.05*self.Y_MAX, 0.5*self.Z_MAX], mass = self.mass))
    
    #la gravité
    def force(self, pos, vel, particle, t):
        return np.array([0.0, 0.0, -particle.mass * 9.8])
if __name__ == '__main__':
    cutoff_r = 1.0
    e = 0.1
    mass = 1.0
    eps = 1
    sigma = 0.5
    dt = 0.001
    system = BoxGravitySystem(cutoff_r = cutoff_r, NX = 100, NY = 100, NZ = 100, e = e, mass = mass, eps = eps, sigma = sigma)
    time = 0
    system.start_output_gif(fps = 0.1)
    while time <= 5:
        system.update(dt = dt, calc_method = Calculater.runge_kutta)
        time = system.get_time()
        print("Time : ", time)
        #system.show_snapshot()
    system.stop_output_gif(filename = "BoxGravitySystem_cutoffr-{}_mass-{}_eps-{}_sigma-{}_dt-{}.gif".format(cutoff_r, mass, eps, sigma, dt))

#Un système pour enfoncer des balles dans le mur
class BulletWallSystem(ParticleSystem):
    def __init__(self, cutoff_r, NX, NY, NZ, e, mass, eps, sigma):
        super().__init__(cutoff_r, NX = NX, NY = NY, NZ = NZ, e = e, mass = mass, eps = eps, sigma = sigma)
    
    #Sphère avec vitesse initiale(balle)Et mettre en place un mur fixe
    def init_particles(self):
        #Balle(balle)produire
        bullet_center = [0.35*self.X_MAX, 0.5*self.Y_MAX, 0.5*self.Z_MAX]
        for i in range(200):
            r = 0.05 * self.X_MAX * (random.random() - 0.5) * 2
            phi = 2 * np.pi * random.random()
            theta = np.pi * random.random()
            self.particles.append(Particle(pos = [bullet_center[0] + r*np.sin(theta)*np.cos(phi), bullet_center[1] + r*np.sin(theta)*np.sin(phi), bullet_center[2] + r*np.cos(theta)], vel=[0.2*self.X_MAX, 0, 0], mass = self.mass, type = 1))
        #Génération de mur
        for x in np.linspace(0.49*self.X_MAX, 0.50*self.X_MAX, 2):
            for y in np.linspace(0.3*self.Y_MAX, 0.7*self.Y_MAX, 30):
                for z in np.linspace(0.3*self.Z_MAX, 0.7*self.Z_MAX, 30):
                    self.particles.append(Particle(pos = [x, y, z], vel=[0.0, 0.0, 0.0], mass = self.mass, type = 2))
                    
    #Pas de force externe
    def force(self, pos, vel, particle, t):
        return np.array([0.0, 0.0, 0])
if __name__ == '__main__':
    cutoff_r = 1.0
    e = 0.1
    mass = 1.0
    eps = 1
    sigma = 0.5
    dt = 0.001
    system = BulletWallSystem(cutoff_r = cutoff_r, NX = 100, NY = 100, NZ = 100, e = e, mass = mass, eps = eps, sigma = sigma)
    time = 0
    system.start_output_gif(fps = 0.1)
    while time <= 5:
        system.update(dt = dt, calc_method = Calculater.runge_kutta)
        time = system.get_time()
        print("Time : ", time)
        #system.show_snapshot()
    system.stop_output_gif(filename = "BoxGravitySystem_cutoffr-{}_mass-{}_eps-{}_sigma-{}_dt-{}.gif".format(cutoff_r, mass, eps, sigma, dt))
cutoffr:1.0、ε:0.001、σ:0.1、dt:0.002

cutoffr:1.0、ε:0.02、sigma:0.5

cutoffr:1.0、ε:0.02、sigma:1.3、dt-0.001

cutoffr:1.0、ε:0.3、σ:1.3、dt:0.01

cutoffr:1.0、ε:0.1、σ:1.2、dt:0.01

cutoffr:1.0、ε:0.1、σ:1.5、dt:0.001

cutoffr:1.0、ε:1、σ:1.5、dt:0.001

#Un système qui reçoit une force qui tourne comme une tornade
class TornadeSystem(ParticleSystem):
    def __init__(self, cutoff_r, NX, NY, NZ, e, mass, eps, sigma):
        super().__init__(cutoff_r, NX = NX, NY = NY, NZ = NZ, e = e, mass = mass, eps = eps, sigma = sigma)
        
    #Créez 3000 particules à des positions aléatoires
    def init_particles(self):
        for _ in range(3000):
            x = self.X_MAX * random.random()
            y = self.Y_MAX * random.random()
            z = self.Z_MAX * random.random()
            self.particles.append(Particle(pos = [x, y, z], vel=[0.0, 0.0, 0.0], mass = self.mass, type = 1))
        
    #Une force qui tourne autour de l'axe z(rot(r)∝[0,0,1]Pouvoir de devenir) × z
    def force(self, pos, vel, particle, t):
        return 0.05 * pos[2] * np.array([-(pos[1] - self.Y_MAX/2), pos[0] - self.X_MAX/2 , 0.0])# - 0.5 * np.array(vel)
if __name__ == '__main__':
    cutoff_r = 1.0
    e = 0.1
    mass = 1.0
    eps = 1
    sigma = 0.5
    dt = 0.001
    system = TornadeSystem(cutoff_r = cutoff_r, NX = 100, NY = 100, NZ = 100, e = e, mass = mass, eps = eps, sigma = sigma)
    time = 0
    system.start_output_gif(fps = 0.1)
    while time <= 5:
        system.update(dt = dt, calc_method = Calculater.runge_kutta)
        time = system.get_time()
        print("Time : ", time)
        #system.show_snapshot()
    system.stop_output_gif(filename = "BoxGravitySystem_cutoffr-{}_mass-{}_eps-{}_sigma-{}_dt-{}.gif".format(cutoff_r, mass, eps, sigma, dt))


Travail en échec

L'ajustement des paramètres ne fonctionne pas

