Física Computacional II

Javier M. Hernández, FCFM-BUAP

(Primavera 2012, Lic. Física, FCFM)

IMPORTANTE: Los ejercicios y actividades marcadas para clases o en clases, mencionados en la sección de "miniquizz y tareas", SON PARA SER PRESENTADAS EN CLASE, solamente así serán contabilizadas para su calificación. Este es un curso de laboratorio. No serán aceptadas ser presentadas al final del curso.

Este curso ofrece una introducción práctica al uso de métodos computacionales en la Física. No es un curso de programación sino de resolución de problemas de Física usando la computadora.

OBJETIVOS GENERALES DEL CURSO:

Este curso tiene como objetivos: generar los conocimientos y habilidades necesarias para el uso de la computadora en la resolución de problemas de Física, así como representar de forma matemática y computacional los conceptos y leyes de la física.

OBJETIVOS PARTICULARES DE APRENDIZAJE:

  1. Aprender por medio de la experiencia directa el uso científico de las computadoras, pensando creativamente en la resolución de problemas en la Física.
  2. Aprender las bases de la simulación y modelación numérica científica.
  3. Aprender como interpretar y analizar datos visualmente, tanto durante como después de su cálculo.
  4. Usar las capacidades gráficas de las computadoras para visualizar las soluciones numéricas en formas altamente interpretables.
  5. Apoyar las actitudes de independencia, comunicación personal y organización que son esenciales para el manejo de sistemas complejos.
  6. Aprender a comunicar de manera efectiva los métodos de solución y los resultados.
  7. Entender porque el trabajo duro e incluso hardware y software trabajando apropiadamente y poderoso no garantizan resultados significativos. En una ciencia experimental hay límites de precisión y aplicabilidad.

CONTENIDO Y ESQUEMA DEL CURSO:

  1. Inducción al curso
    • El uso y abuso de las computadoras
    • Como sumar
    • Python, C++ y Fortran
    • Paqueterías
  2. Oscilaciones Mecánicas en el Espacio Fase
    • Oscilador Armónico
    • Oscilador Forzado. Atractor
    • Oscilador Amortiguado. Atractor y Puntos Fijos
    • Modelo del clima de Lorenz. Caos
    • Oscilaciones de Rossler. Atractor
  3. Estadística y Simulación
    • Estimación de magnitudes simples (π, volúmenes, integrales, etc.)
    • Procesos físicos (gas ideal, difusión Ehrenfest)
    • Movimiento Browniano. Cálculo del coeficiente de Difusión. Correlaciones
    • Caminatas deterministas. Procesos irreversibles
    • Principios de Dinámica Molecular y Montecarlo
  4. Ecuaciones Diferenciales Parciales
    • La ecuación de difusión. Solución Analítica (Modelo de Einstein)
    • Ecuación de Onda. Ecuaciones de Maxwell
    • Sistemas de Reacción-Difusión. Ejemplos de Física, Biología, Química
    • Fluidos. Formación de patrones en mezclas

El temario completo y detallado se encuentra en el programa oficial de la materia.

Observaciones

Noten que la resolución de problemas y los proyectos representa una parte esencial del curso. Los ejercicios serán, en muchos casos, largos o díficiles. El entendimiento viene junto con un manejo competente en la resolución de los problemas. Todos ellos deberán ser resueltos ... o al menos ser intentados. Usen las horas fuera de clase para verme cuando tengan algún problema en específico.

Los invito a que se reunan en grupos para estudiar, discutir, arguir y dominar los ejercicios. Sin embargo ESPERO que cada UNO escriba sus soluciones por separado, mostrando su entendimiento propio mediante la explicación detallada de los métodos de resolución de cada problema.

CRITERIOS DE EVALUACIÓN

Dado en nivel de la carrera de los alumnos de este curso, así como el tipo de materia que estaremos tratando, trabajaremos a base de proyectos.

Los proyectos involucrarán programación y exploración, usualmente hecho con programas propios o con modificación de programas ya hechos. A fin de cumplir con el trabajo cada proyecto, en lo mas extenso que sea posible, deberán describir en sus propias palabras los cinco elementos mayores (úselos como encabezados):

  1. Formalismo (La(s) ecuación(es) que están tratando de resolver o simular, las matemáticas)
  2. Algoritmos (El algoritmo usado, el método numérico utilizado)
  3. Código (Listado del código modificado que han usado, preferiblemente un link a él)
  4. Resultados (Los resultados editados; preferiblemente visualización: gráficas, tablas, etc.)
  5. Análisis crítico (Qué han aprendido o no?, están convencidos? cómo se podría hacer mejor?)

Evaluación:

BIBLIOGRAFÍA

Básica (**) En la Biblioteca Nicolás Copernico.

Complementaria

Miniquizzes y Tareas

Trabajo para semana 5!

LECTURAS

Información de Apoyo

Para conectarse de manera remota con el servidor de estudiantes ver Ayuda en Computo. Asimismo encontrarán en dicha página los programas de gnuplot y latex para windows y otros auxiliares. Usando Unix, como recordatorio en caso de necesidad. Existe un conjunto de programas demo para gnuplot, pueden acceder a sus códigos en sourceforge. Otro conjunto de ejemplos de graficación en física se encuentra en Kyoto U..

Formato en latex para la presentación de los reportes de los proyectos. Pueden hacerlos con otros medios pero el esquema deberá ser el mismo. Deberán entregar el archivo en pdf. Como apoyo para que recuerden/aprendan C++ (que recomiendo en lugar de C) tenemos el tutorial 1 y el tutorial 2, asi como para fortran 77 y 95 (que es el recomendado). Estos tutoriales son de referencia solamente.

The principle of science, the definition almost, is the following: The test of all knowledge is experiment. Experiment is the sole judge of scientific truth. But what is the source of knowledge? Where do the laws that are to be tested come from? Experiment, itself, helps to produce these laws, in the sense that it gives us hints. But also needed is imagination to create from these hints the great generalizations to guess at the wonderful, simple, but very strange patterns beneath them all. and then to experiment to check again whether we made the right guess.

Richard Feynman

Última revisión: 18/06/2012, javierh en {fcfm.buap.mx} , Puebla, Pue. México