La mecánica computacional es la disciplina que se ocupa del uso de métodos computacionales para estudiar fenómenos regidos por los principios de la mecánica . [1] Antes del surgimiento de la ciencia computacional (también llamada computación científica) como una "tercera vía" además de las ciencias teóricas y experimentales, la mecánica computacional se consideraba ampliamente como una subdisciplina de la mecánica aplicada . Ahora se considera una subdisciplina dentro de la ciencia computacional.
Descripción general
La mecánica computacional (MC) es interdisciplinaria. Sus tres pilares son la mecánica , las matemáticas y la informática y la física.
Mecánica
Dinámica de fluidos computacional , termodinámica computacional , electromagnetismo computacional , mecánica sólida computacional son algunas de las muchas especializaciones dentro de CM.
Matemáticas
Las áreas de las matemáticas más relacionadas con la mecánica computacional son las ecuaciones diferenciales parciales , el álgebra lineal y el análisis numérico . Los mayoría de los métodos numéricos populares utilizados son los elementos finitos , diferencias finitas y elementos de contorno y métodos con el fin de la dominación. En la mecánica de sólidos, los métodos de elementos finitos son mucho más frecuentes que los métodos de diferencias finitas, mientras que en la mecánica de fluidos, la termodinámica y el electromagnetismo, los métodos de diferencias finitas son casi igualmente aplicables. La técnica del elemento de contorno es en general menos popular, pero tiene un nicho en ciertas áreas, incluida la ingeniería acústica, por ejemplo.
Ciencias de la Computación
Con respecto a la computación, la programación de computadoras, los algoritmos y la computación paralela juegan un papel importante en CM. El lenguaje de programación más utilizado en la comunidad científica, incluida la mecánica computacional, es Fortran . Recientemente, C ++ ha ganado popularidad. La comunidad científica informática ha tardado en adoptar C ++ como lengua franca. Debido a su forma muy natural de expresar cálculos matemáticos y sus capacidades de visualización integradas, el lenguaje / entorno propietario MATLAB también se usa ampliamente, especialmente para el desarrollo rápido de aplicaciones y la verificación de modelos.
Proceso
Los científicos dentro del campo de la mecánica computacional siguen una lista de tareas para analizar su proceso mecánico objetivo:
- Se elabora un modelo matemático del fenómeno físico. Por lo general, esto implica expresar el sistema natural o de ingeniería en términos de ecuaciones diferenciales parciales . Este paso utiliza la física para formalizar un sistema complejo.
- Las ecuaciones matemáticas se convierten en formas adecuadas para la computación digital. Este paso se denomina discretización porque implica la creación de un modelo discreto aproximado a partir del modelo continuo original. En particular, normalmente traduce una ecuación diferencial parcial (o un sistema de la misma) en un sistema de ecuaciones algebraicas . Los procesos involucrados en este paso se estudian en el campo del análisis numérico .
- Los programas de computadora están hechos para resolver las ecuaciones discretizadas usando métodos directos (que son métodos de un solo paso que dan como resultado la solución) o métodos iterativos (que comienzan con una solución de prueba y llegan a la solución real mediante refinamientos sucesivos). Dependiendo de la naturaleza del problema, en esta etapa se pueden usar supercomputadoras o computadoras paralelas .
- El modelo matemático, los procedimientos numéricos y los códigos de computadora se verifican utilizando resultados experimentales o modelos simplificados para los cuales se encuentran disponibles soluciones analíticas exactas . Con bastante frecuencia, las nuevas técnicas numéricas o computacionales se verifican comparando sus resultados con los de métodos numéricos existentes bien establecidos. En muchos casos, también se encuentran disponibles problemas de referencia. Los resultados numéricos también deben visualizarse y, a menudo, se darán interpretaciones físicas a los resultados.
Aplicaciones
Algunos ejemplos en los que se ha puesto en práctica la mecánica computacional son la simulación de accidentes de vehículos , el modelado de yacimientos de petróleo , la biomecánica, la fabricación de vidrio y el modelado de semiconductores.
Sistemas complejos [ ¿cuáles? ] que sería muy difícil o imposible de tratar utilizando métodos analíticos se han simulado con éxito utilizando las herramientas proporcionadas por la mecánica computacional.
Ver también
Referencias
- ^ Jamshid Ghaboussi; Xiping Steven Wu (25 de noviembre de 2016). Métodos numéricos en mecánica computacional . Prensa CRC. ISBN 978-1-315-35164-3.