Моделирование физических процессов. Моделирование физических процессов при разработке электроники: почему и для чего? Настало время кодить

Volodya писал(а):

Пытался скачать триальную версию Matlab/Simulink + SimMechanics, но на сайте разработчиков, после заполнения форм, сообщили, что позволят скачать в случае, если у них самих возникнет желание, тогда они сами свяжутся.

Да. Они, как правило, дают скачивать SimMechanics, если у Вас уже имеется лицензия Матлаба...

Если Вы с мех-мата, то очень вероятно, что там имеются студенческие лицензии Матлаба. Дело в том, что Матлаб, беру смелость это заявить, наиболее распространенный и универсальный на сегодняшний день пакет программ прикладной математики, как в академической среде, так и на производстве (например, на нашем заводе). SimMechanics это, так называемый, тулбокс - расширение ядра по определенной тематике. Кроме механики существуют штук 20 тулбоксов, например, обработка сигналов, статистика, оптимизация и тд. Каждый тулбокс снабжен стандартным графическим интерфейсом, позволяющим создавать модель нужной архитектуры, работая мышью. Именно, нужно перетягивать нужные иконки используемых обьектов в рабочеее поле и определять "входы" и "выходы" обьектов. Каждый из тулбоксов может приобретаться опционально, в зависимости от конкретных потребностей.

Справедливости ради, замечу, что SimMechanics - относительно свежий тулбокс (впервые появился года 3 назад), т.е., скорее всего, не обладает такой стабильностью, как, например, Simulink, существующий уже целую "вечность".

Лично я использую Матлаб в 2-х ситуациях. Во-первых, если нужно проверить новый алгоритм или метод, то Матлаб позволяет без лишней суеты программировать в С стиле. Плюс к этому в пакет встроены оптимизированные векторные операции (BLAS), линейная алгебра (LAPACK) и очень продвинутый интерфейс визуализации 2-3D диаграмм. Во-вторых, когда возникает необходимость использовать в нашей программе разнообразные математические функции, то компиллятор (это своего рода тулбокс Matlab Compiler) позволяет скомпилировать файлы программы Матлаб (m-files) в DLLину. Mathworks разрешает 3-м лицам пользоваться такой DLLиной бесплатно (не нужна дополнительная лицензия).

Если программа Матлаб с тулбоксами нужна не в коммерческих целях, то могу заметить, что этот софт очень распространен среди частных пользователей в России, т.е. его относительно несложно приобрести.

Volodya писал(а):

На сайте разработчиков ITI-SIM + SimulationX 2.0 я не нашёл ссылок для скачивания триальной версии.

Я намеренно дал ссылку, т.к. это более дешевая альтернатива ADAMS. Впрочем, если нужно, как было написано вначале, расчитывать соударения тел сложной формы, то не уверен, что ITI-SIM или Матлаб помогут. Сама по себе 3-D модель удара - это целая отдельная сложная наука.

Volodya писал(а):

Например, задан массив частиц, в виде точек в 3-х мерном пространстве, твёрдого тела. Каждая частица обладает массой, вектором скорости. Верно ли, что вектора скоростей всех частиц одного абсолютно твёрдого тела параллельны?

Нет, т.к. тело может вращаться, мгновеннная ось вращения...

Но пока не затрагивали одну из самых интересных и важных тем - испытания спроектированных устройств, как виртуальные, так и реальные.

Выдержит ли корпус удар в трех плоскостях? Деформируется при экстремальных температурах? Хорошо ли продумана внутренняя система охлаждения электроники? Ответить на эти вопросы можно двумя способами. Первый: провести испытания готового устройства (прототипа) в реальной жизни и по результатам отправить его на доработку. Второй: провести виртуальное моделирование физических процессов и скорректировать проблемные места на этапе разработки. Это гораздо быстрее и эффективнее, так можно получить рабочие прототипы уже на первой итерации. Давайте рассмотрим оба варианта на реальных проектах…

1. Проверка надёжности крепления корпуса

Рис. 1. SOS-устройство в салоне авто (лицевая сторона)

В процессе разработки решено смоделировать столкновение транспортного средства с преградой. Цель - сохранить работоспособность устройства после аварии, и обезопасить пассажиров (ведь они не хотят получить травму из-за того, что устройство выскочило из крепления).

Вот так устройство выглядит с внутренней стороны приборной панели авто:

Рис. 2. Корпус SOS-устройства (внутренняя сторона)

Что же произойдет при столкновении? Используется довольно мощное крепление, посмотрите на защелки. Нужно ли моделировать?

Расчет решено сделать в 2 этапа, чтобы учесть усилие прижима защелок:

1. Вставка устройства в панель в салоне автомобиля.
2. Столкновение.

Рис 3. Моделирование процесса защелкивания (снаружи)

Рис 4. Моделирование процесса защелкивания (в разрезе)

Из анимации видно, что защелка сначала проходит сквозь деталь. Такую хитрость можно и даже нужно делать при упрощении задачи. В нашем расчете контакт деталей был включен позже.

Рис. 5. Вылет устройства из приборной панели в результате ДТП

После таких результатов на изделие уже смотришь совсем другим взглядом. Обратите внимание, какой образован рычаг в конструкции.

На этом проекте всё уже было готово к производству прототипов. Поджимали сроки. Никто не ожидал таких результатов. По итогам моделирования мы вовремя приостановили производство прототипов. На одну итерацию стало меньше, сэкономлены деньги заказчика.

Мы внесли изменения в конструкцию, в результате которых вылет устройства стал значительно меньше за счет подбора новых компонентов на плате. Также было скорректировано крепление нижней части устройства.

Ещё один пример моделирования на этом проекте - расчеты на дефекты литья пластмассы (литьё под давлением). Они позволили подобрать оптимальные материалы и сделать детали более технологичными. В результате был получен отчет о возможных утяжинах при запуске изделия в серийное производство. Также проведен расчет на остаточные напряжения в отливке.

Такие дефекты чаще всего возникают из-за неравномерного охлаждения отливки, и зависят от материала изделия. В дальнейшем они могут привести к появлению трещин и полному разрушению корпуса. Вы могли сталкиваться с таким явлением, если наблюдали, как пластиковое изделие начинает трескаться через определенное время.

2. Пластиковые корпусы: дефекты отливки

Рис. 6

А это - результаты моделирования его отливки (с лицевой стороны изделия проблем не видно):

Рис. 7

Скорее всего, вы уже видели подобные дефекты на пластике. В данном случае он расположен только на внутренней стороне, но все же заказчик должен знать об этих дефектах. Вы наверняка заметили, что известные бренды не допускают подобных проблем в своих продуктах.

Как видите, результаты моделирования не совпадают на все 100 процентов с реальностью, но общая картина все-таки схожа. В серийном производстве одна отливка может отличаться от другой, это нормальное явление.

Некоторые изделия могут оказаться с дефектом по вине изготовителя. С помощью САЕ-системы можно дать рекомендации производителю и так уменьшить количество итераций с его стороны. Именно так мы и поступили в данном проекте, в результате проблема была решена в короткий срок. И изделие стало выпускаться серийно без видимых дефектов не только снаружи, но изнутри тоже.

Ещё один пример. На рисунке ниже показана анимация заливки изделия. В расчете учитывалась литниковая система, система охлаждения пресс-формы ну и сама пресс-форма:

Рис. 8

Дефект отливки выделен красным цветом:

Рис. 9

Этот дефект чётко виден и на фотографии:

Рис. 10

3. Краш-тесты электроники

Мы тоже проводим такие тесты в процессе разработки потребительской электроники. Возьмём в качестве примера шлюз Bluetooth:

Рис. 11

При падении с высоты 1,2 метра устройство должно быть в первозданном состоянии, это было одно из требований заказчика. В техническом задании были отмечены возможные проблемные места, в которых устройство могло сломаться. Мы провели 7 расчетов и получили положительные результаты. На рисунке ниже показан один из результатов расчетов:

Рис. 12

После изготовления прототипов мы ещё раз провели испытания, на этот раз - падение устройства в реальной жизни. Результаты - снова положительные.

Стоит учитывать, что фрезерованные прототипы по физическим характеристикам немного отличаются от серийных корпусов, которые производятся методом отливки - при фрезеровке в изделии остаются остаточные напряжения. Однако и в этом случае лучше произвести испытания.

После анализа полученных прототипов было принято решение немного усилить корпус, добавив в конструкцию ребра. После моделирования эффекта нажатия пальцем на корпус жесткость устройства должна была увеличиться приблизительно на 30 процентов:

Рис. 13

Вторым этапом стал заказ новых прототипов.

После испытаний на устойчивость к падению устройство, тем не менее, стало ломаться, чего никто не ожидал:

Рис. 14

Такой вот ценный опыт. Хорошо, что корпус еще не был запущен в серийное производство.

Решено провести повторное моделирование и сравнить результаты с практикой. И действительно, программа показала это новое проблемное место:

Рис. 15

Решено убрать отдельные ребра. После очередного моделирования получены положительные результаты.

Вывод - при любом изменении конструкции нужно обязательно делать повторные расчеты, а компьютерное моделирование физических процессов помогает сэкономить время и деньги при разработке электронике. Уж лучше проверять корпус на прочность в системах инженерного анализа, а не в реальной жизни.

[?!] Вопросы и комментарии приветствуются. На них будет отвечать наш инженер-конструктор Максим Кендысь, эксперт по моделированию изделий из пластмассы и металла в системах инженерного анализа (CAE).

Успешные инженерные расчеты обычно основаны на экспериментально подтвержденных моделях, которые могут заменить в известной степени и физические эксперименты, и прототипирование, и позволяют лучше понять разрабатываемую конструкцию или изучаемый процесс. По сравнению с проведением физических экспериментов и испытанием прототипов моделирование позволяет быстрее, эффективнее и точнее оптимизировать процессы и устройства.

Пользователи COMSOL Multiphysics ® свободны от жестких ограничений, которые обычно свойственны пакетам для моделирования, и могут управлять всеми аспектами модели. Вы можете творчески подходить к моделированию и решать задачи, сложные или невозможные при обычном подходе, сочетая произвольное число физических явлений и задавая пользовательские описания физических явлений, уравнений и выражений через графический пользовательских интерфейс (GUI).

Точные мультифизические модели учитывают широкий диапазон рабочих условий и большой набор физических явлений. Таким образом, моделирование помогает понимать, проектировать и оптимизировать процессы и устройства с учетом реальных условий их работы.

Последовательный рабочий процесс моделирования

Моделирование в COMSOL Multiphysics ® позволяет исследовать в одной программной среде явления электромагнетизма, механики конструкций, акустики, гидродинамики, теплопередачи и химические реакции, а также любые другие физические явления, которые можно описать системами дифференциальных уравнений в частных производных. Вы можете сочетать в одной модели все эти физические явления. Графический пользовательский интерфейс COMSOL Desktop ® предоставляет доступ к полноценной интегрированной программной среде для моделирования. Какие бы устройства и процессы вы ни изучали, процесс моделирования будет логичным и последовательным.

Геометрическое моделирование и взаимодействие со сторонними CAD-пакетами

Операции, последовательности и выборки

Базовый пакет COMSOL Multiphysics ® содержит инструменты геометрического моделирования для создания элементов геометрии на основе твердых тел, поверхностей, кривых и булевых операций. Итоговая геометрия определяется последовательностью операций, каждая из которых может получать входные параметры, что облегчает редактирование и параметрические исследования мультифизических моделей. Связь между определением геометрии и настройками физики двусторонняя - любое изменение геометрии автоматически приводит к соответствующим изменениям в связанных настройках модели.

Любые геометрические объекты можно объединять в выборки (selections) для дальнейшего использования в определении физики и граничных условий, построении сеток и графиков. Кроме того, последовательность операций можно использовать, чтобы создать параметризованную геометрическую заготовку (geometry part), которую потом можно сохранить в Библиотеке частей и повторно использовать во многих моделях.

Импорт, обработка, дефичеринг и виртуальные операции

Импорт всех стандартных CAD и ECAD файлов в COMSOL Multiphysics ® поддерживается при наличии модулей Импорт данных из CAD и Импорт данных из ECAD соответственно. Модуль Проектирование расширяет набор геометрических операций, доступных в COMSOL Multiphysics ® . Модули Импорт данных из CAD и Проектирование предоставляют возможность исправлять геометрии и удалять некоторые лишние детали (операции Defeaturing и Repair). Модели на основе поверхностных сеток, например, формат STL, можно импортировать и преобразовывать в геометрические объекты с помощью базовой платформы COMSOL Multiphysics ® . Операции импорта работают так же, как и все остальные геометрические операции - в них можно использовать выборки и также ассоциативность при параметрических и оптимизационных исследованиях.

В качестве альтернативы операциям Defeaturing и Repair программный пакет COMSOL ® включает также так называемые виртуальные операции, которые позволяют исключить влияние ряда геометрических артефактов на конечно-элементную сетку, в частности, вытянутых и узких границ, которые понижают точность моделирования. В отличие от удаления деталей при дефичеринге, виртуальные операции не изменяют кривизну или точность геометрии, но позволяют получить более чистую сетку.

Список функций геометрического моделирования

• Примитивы
  • Блок, сфера, конус, тор, эллипсоид, цилиндр, спираль, пирамида, шестигранник
  • Параметрическая кривая, параметрическая поверхность, многоугольник, полигоны Безье, интерполяционная кривая, точка
• Операции Extrude (Вытяжка), Revolve (Разворот), Sweep и Loft (создать тело по траектории или по сечениям 1
• Булевы операции: объединение, пересечение, разность и разделение
• Трансформации: создание массива, копирование, отражение, перемещение, вращение и масштабирование
• Преобразования:
  • Преобразовать в замкнутое объемное тело, поверхность, кривую
  • Midsurface (Средняя поверхность) 1 , Thicken (Утолщение) 1 , Split (разделение на составляющие)
• Chamfer (Скос) и Fillet (Cкругление) 2
• Виртуальные геометрические операции
  • Remove details (Автоматическое применение виртуальных операций)
  • Игнорировать: вершины, ребра и границы
  • Сформировать совокупный объект: из ребер, границ или областей
  • Свернуть ребро или границу
  • Объединить вершины или ребра
  • Mesh control (Контроль сетки): вершины, ребра, границы, области
• Гибридное моделирование: твердые тела, поверхности, кривые и точки
• Рабочие плоскости (Work Plane) с двухмерным геометрическим моделированием
• Импорт из CAD и двусторонняя интеграции с помощью модулей расширения Импорт данных из CAD, Проектирование и продуктов группы LiveLink™
• Исправление и удаление деталей из CAD-моделей с помощью модулей расширения Импорт данных из CAD, Проектирование и продуктов группы LiveLink™
  • Cap faces (Закрыть грань), Delete (Удаление)
  • Скругление, Избавление от коротких ребер, узких граней, границ и выступов
  • Detach faces (Выделение домена из границ), Knit to solid, Repair (Избавление от зазоров, Обработка и исправление геометрии)

1 Требует наличия модуля Проектирование

2 Данные операции в 3D требуют наличия модуля Проектирование

Эта рама велосипеда была спроектирована в программном пакете SOLIDWORKS ® , и может быть в несколько кликов импортирована в COMSOL Multiphysics ® . Можно также импортировать геометрические модели из других сторонних CAD-пакетов или создавать их с помощью встроенных геометрических инструментов COMSOL Multiphysics ® .

Инструменты COMSOL Multiphysics ® позволяют изменять и исправлять сторонние CAD-геометрии (для соответствия КЭ-расчету), как в данном случае в моделе рамы велосипеда. При желании вы могли бы создать эту геометрию с нуля в COMSOL Multiphysics ® .

конечно-элементная сетка для проекта рамы велосипеда. Теперь она готова к расчету в пакете COMSOL Multiphysics ® .

В COMSOL Multiphysics ® был выполнен механический расчет модели рамы велосипеда. Анализ результатов может подсказать, какие изменения внести в конструкцию рамы в стороннем CAD-пакете для дальнейшей работы.

Готовые предустановленные интерфейсы и функции для физического моделирования

Программный пакет COMSOL ® содержит готовые физические интерфейсы для моделирования самых разных физических явлений, в том числе распространенных междисциплинарных мультифизических взаимодействий. Физические интерфейсы - это специализированные пользовательские интерфейсы для отдельной инженерной или исследовательской области, которые позволяют досконально управлять моделированием исследуемого физического явления или явлений - от задания исходных параметров модели и дискретизации до анализа результатов.

После выбора физического интерфейса программный пакет предлагает выбрать один из типов исследований, например, с использованием нестационарного или стационарного решателя. Программа также автоматически подбирает для математической модели подходящую численную дискретизацию, конфигурацию решателя и настройки визуализации и постобработки, подходящие для исследуемого физического явления. Физические интерфейсы можно свободно сочетать, чтобы описывать процессы, включающие несколько явлений.

Платформа COMSOL Multiphysics ® включает в себя большой набор базовых физических интерфейсов, например, интерфейсы для описания механики твердых тел, акустики, гидродинамики, теплопередачи, переноса химических веществ и электромагнетизма. Расширяя базовый пакет дополнительными модулями COMSOL ® , вы получаете набор специализированных интерфейсов для моделирования частных инженерных задач.

Список доступных физических интерфейсов и представлений материальных свойств

Физические интерфейсы

• Electric currents (Электрические токи)
• Electrostatics (Электростатика)
• Heat transfer in solids and fluids (Теплопередача в твердых телах и текучих средах)
• Joule heating (Джоулев нагрев)
• Laminar flow (Ламинарный поток)
• Pressure acoustics (Скалярная акустика)
• Solid mechanics (Механика твердого тела)
• Transport of diluted species (Перенос растворенных веществ)
• Magnetic Fields, 2D (Магнитные поля, в 2D)
• Дополнительные специализированные физические интерфейсы содержатся в модулях расширения

Материалы

• Изотропные и анизотропные материалы
• Неоднородные материалы
• Материалы с пространственно-неоднородными свойствами
• Материалы со свойствами, изменяющимися во времени
• Материалы с нелинейными свойствами, зависящими от какой-либо физической величины

Модель термопривода в COMSOL Multiphysics ® . Ветвь Heat Transfer (Теплопередача) раскрыта и показывает все соответствующие физические интерфейсы. Для этого примера активированы все модули расширения, поэтому доступно для выбора множество физических интерфейсов.

Прозрачное и гибкое моделирование на основе пользовательских уравнений

Программный пакет для научных и инженерных исследований и инноваций должен быть не просто средой для моделирования с предопределенным и ограниченным набором возможностей. Он должен предоставлять пользователям интерфейсы для создания и настройки описаний собственных моделей на основе математических уравнений. Пакет COMSOL Multiphysics ® обладает такой гибкостью - он содержит интерпретатор уравнений, обрабатывающий выражения, уравнения и другие математические описания перед созданием численной модели. Вы можете добавлять и настраивать выражения в физических интерфейсах, легко связывая их друг с другом для моделирования мультифизических явлений.

Доступна и более продвинутая кастомизация. Возможности индивидуальной настройки с помощью Построителя физических интерфейсов (Physics Builder) позволяют использовать собственные уравнения для создания новых физических интерфейсов, которые затем можно будет легко включить в будущие модели или предоставить коллегам.

Список доступных функций при использовании моделирования на основе пользовательских уравнений (equation-based modeling)

• Дифференциальные уравнения в частных производных (PDE) в слабой форме
• Произвольные Лагранж - Эйлеровы методы (ALE) для задач c деформированной геометрией и подвижными сетками
• Алгебраические уравнения
• Обыкновенные дифференциальные уравнения (ODE)
• Дифференциальные алгебраические уравнения (DAE)
• Анализ чувствительности (для оптимизации требуется дополнительный модуль Оптимизация)
• Вычисление криволинейных координат

Модель волнового процесса в оптическом волокне на основе уравнения Кортевега - де Фриза. Дифференциальные уравнения в частных производных и обыкновенные дифференциальные уравнения можно задавать в программном пакете COMSOL Multiphysics ® в коэффициентной или математической матричной форме.

Автоматизированное и ручное построение сетки

Для дискретизации модели и построения сетки программный пакет COMSOL Multiphysics ® использует различные численные методики и техники, зависящие от исследуемого в модели типа физики или сочетания физических явлений. Наиболее часто используемые методы дискретизации основаны на методе конечных элементов (полный список методов приведен в разделе «Решатели» на этой странице). Соответственно, алгоритм построения сетки общего назначения создает сетку с элементами того типа, который подходит для этого численного метода. Например, применяемый по умолчанию алгоритм может использовать произвольную тетраэдрическую сетку или сочетать ее с методом построения погранслойных сеток, комбинируя элементы различных типов и обеспечивая более быстрые и точные расчеты.

Операции измельчения сетки (mesh refinement), повторного построения или адаптивного построения сетки могут быть выполнены в процессе решения или специального этапа исследования для сетки любого типа.

Список доступных опций при построении сетки

• Произвольная сетка на основе тетраэдров
• Сетка протяжкой (Swept) на основе призматических и гексаэдрических элементов
• Погранслойная сетка
• Тетраэдрические, призматические, пирамидальные и гексаэдрические объемные элементы
• Произвольная треугольная сетка для трехмерных поверхностей и двухмерных моделей

• Свободная четырехугольная сетка и структурная 2d сетка (типа Mapped) для трехмерных поверхностей и двухмерных моделей
• Операция копирования сетки
• Виртуальные геометрические операции
• Разбиение сеток на области, границы и ребра
• Импорт сеток, созданных в другом программном обеспечении

Построенная в автоматическом режиме неструктурированная тетраэдральная сетка для геометрии обода колеса.

Построенная в полуавтоматическом режиме неструктурированная сетка с погранслоями для геометрии микросмесителя.

Сетка, созданная в ручном режиме, для модели электронного компонента на печатной плате. Конечно-элементное разбиение сочетает в себе тетраэдрическую сетку, треугольную сетку на поверхности и сетку, построенную протяжкой в объём.

Поверхностная сетка модели позвонка была сохранена в формате STL, импортирована в COMSOL Multiphysics ® и преобразована в геометрический объект. На нее была наложена автоматизированная неструктурированная сетка. Геометрия в формате STL предоставлена Марком Йоменом (Mark Yeoman) из компании Continuum Blue, Великобритания.

Исследования и их последовательности, параметрические расчеты и оптимизация

Типы исследований

После выбора физического интерфейса COMSOL Multiphysics ® предлагает несколько различных типов исследований (или анализа). Например, при исследовании механики твердого тела программный пакет предлагает нестационарные исследования, стационарные исследования и исследования на собственные частоты. Для задач вычислительной гидродинамики будут предложены только нестационарные и стационарные исследования. Вы можете свободно выбирать и другие типы исследований для проводимого вами расчёта. Последовательности этапов исследования определяют процесс решения и позволяют выбирать переменные модели, которые необходимо рассчитать на каждом этапе. Решения с любых предыдущих этапов исследования можно использовать как входные данные для следующих этапов.

Параметрический анализ, оптимизация и оценка

Для любого этапа исследования можно запустить параметрический расчет (sweep), который может включать один или несколько параметров модели, включая геометрические размеры или настройки в граничных условиях. Можно выполнять параметричекие свипы по различным материалам и их свойств,ам а также по перечню заданных функций.

Модель спирального статического смесителя была создана с помощью Построителя моделей COMSOL Multiphysics ® .

Here is a list of Best Free Physics Simulation Software For Windows . These free Physics simulation games let you understand the basics of Physics theories, like Gravitation, Ohm’s law, Newton’s laws of motion , etc. All these Physics games are also suitable for kids. Some of these Physics games come with built-in simulation, with the help of which you can understand the effect of a change of a certain variable on a physical quantity.

You will also find a Physics simulation software in this list which is based on the Ohm’s law . On varying resistance and voltage in a circuit, it shows you the effect of changing these variables on electric current.

This list of free Physics simulation games also contain some games that will take you to the space adventure. With the help of simulations, you can view and understand the various phases of the moon and learn how these phases change with respect to the Earth’s movement. These games also provide the basic information about each planet and the only star in our Solar System, the Sun.

My favorite Physics Simulation software:

Magnetic Adventure and Physics for Kids are my favorite Physics simulation software in this list.

Magnetic Adventure : It is a real-time Physics game based on the Laws of Magnetism. It helps you learn the properties of a magnet. By playing this game, you can learn how a magnetic substance differs from a non-magnetic one. This interesting Physics game comes with a lot of exciting levels. Follow the rules of Magnetism in order to complete each level.

Physics For Kids : It is one of the best Physics games for kids. It comes with many interesting levels based on different theories of Physics. Some of these include: Force, Potential Energy and Kinetic Energy, Solar System, Inertia , etc.

Explore the list and give a try to these Physics games.

A Magnetic Adventure

A Magnetic Adventure is an interesting Physics simulation game for Windows. It is based on the laws of magnetism. In this game, you have to move an object with the help of a magnet and drop it at its destination point. This game is not so easy as it sounds, as there are several obstructions in each level. Tackle these obstructions by following the rules of Magnetism and complete a level. This free Physics simulation game comes with 50 interesting levels. As you move ahead in the game, you have to face more difficult obstructions.

This game is the introduction to properties of a magnet. By playing it, you can learn what a magnet is, how it works and what types of materials are attracted by a magnet.

How to play this Physics game:

In each level, a task will be given to you. Follow the properties of a magnet to solve each task. Move metallic items in the game with the help of a magnet. Place the magnet over a metallic object and move your mouse by holding its left click. The object starts moving along with the magnet. Release left click of mouse to drop that object. That’s all.

Awesome graphics and cool sound effects make this game more enjoyable and interesting. As you move ahead in the game, you will face more complicated Physics puzzles. Remember, a magnet can attract only metallic objects.

Features of A Magnetic Adventure:

• It lets you create more than one player profiles.
• It comes with an auto-save feature, which saves your game automatically on exit.
• A lot of challenging levels are a great time-pass.
• You can play it in full screen as well as on compact screen mode.

So, what are you waiting for? Install this free Physics game on your PC. A lot of Physics puzzles are waiting for you.

Physics Sandbox Games

In this article, I have introduced you to a lot of Physics simulation games. Now, there is an entirely different class of Physics Simulation games, called, . These games let you create your own simulations and test them. You can check the link I posted earlier to check out a lot of Physics Sandbox games that you can use for Physics Simulation. My favorite from that list is Algodoo.

Algodoo is an interesting Physics simulation software in this segment. This is actually a Physics Sandbox game, which comes with 2D high definition graphics. It lets you learn Gravitational Forces, Friction, Elasticity, Density, Flow, Viscosity , and much more with fun. The best part of this freeware is that it lets you create your own Physics scenes and simulate them.

Let’s understand its interface. It comes with a number of tools to create Physics simulations:

• Plane Tool : With the help of this tool, you can draw a plane on the screen at any angle. It also displays the angle at which you turn a plane. This helps you create a slope or an inclined plane tilted at a certain angle.
• Move Tool : You can move any object in the scene by using this tool.
• Rotate Tool : It lets you rotate an object at a certain angle.
• Scale Tool : Used for changing dimensions of an object.
• Cut Tool : You can cut an object at any cross section with the help of this tool.
• Polygon Tool : Use this tool to draw closed shapes.
• Brush Tool : Brush tool is used to draw both open and closed shapes.
• Box Creation Tool : This tool is used to draw squares and rectangles.
• Circle Creation Tool : This tool is used to draw circles.
• Gear Tool : This tool is used for creating gears.
• Chain Tool : This tool creates a chain.

Several other tools are available in this freeware. Use all these tools to create good Physics animations and save them.

Draw multiple gears and join them so as to understand the mechanics. You can draw fulcrum, pulley, and many other animations. It all depends on your creativity.

This is a great Physics simulation software. Download it and enjoy.

Physics for Kids

Physics for kids is very cool Physics game suitable for kids. This Windows 10 app comes with different levels based on different theories of Physics . As this game is developed for kids, it features only an introductory part of theories of Physics . Kids can learn different Physics laws by performing practicals. Lots of interesting levels are added to this Physics games for kids, which include: Energy, Force, Friction, Free Fall, Potential Energy and Kinetic Energy, Newton, Inertia, Solar System , etc. Out of these levels, some come with Physics games, while some feature simulation.

Each Physics game comes with cute animated characters. All the levels of this Physics game are very easy, so that kids can easily play them and understand the concept behind them. For example, Lever is a very interesting game, which teaches about the result of applying effort on a fulcrum. In this level, you have to simply drop a little penguin on the empty end of the fulcrum, which tosses the pig resting on the other end of the fulcrum in the air. If strong effort is applied, pig will be tossed higher in the air.

If I talk about simulations, Solar System is one of these. The Solar System simulation lets you learn the names of all 9 planets of our Solar System.

The best part of the game is that these levels come with explanations. Kids can read these explanations while playing the game in order to understand which laws of Physics imply that level.

Battery Resistor Circuit

Battery Resistor Circuit is a real time Physics simulation game. It comes with a simple electrical circuit with different electrical components, like ammeter, resistance, a temperature indicator, etc. It works on the Ohm’s law. You can vary voltage and resistance of the circuit to see its effect on the flow of current.

By varying the resistance and voltage of the circuit, you can analyze what is happening in the circuit. It also shows the direction of flow of electrons in the circuit and inside the battery. So, you can know about the flow of electrons inside and outside a battery. It also displays the number of electron counts and what is going on inside a battery during the flow of current. Moreover, there is an ammeter connected to the circuit. This ammeter shows the current readings of current with respect to change in voltage and resistance.

Solar System 3D Simulator

Solar System 3D Simulator is a free Physics simulation for Windows. This Physics simulation will take you to a real-time space adventure. Explore our solar system with this free Physics simulator. It displays an animation of 9 planets revolving around the only star of our Solar System, the Sun.

It is an educational software, which provides you the basic information of 9 planets of our Solar System. There is a button Planetary Information provided on the interface, clicking which opens a separate window containing basic information of all 9 planets. This information includes: Diameter, Orbital radius, Mass, Density, Temperature , etc. of each planet. Besides this, it also displays the number of moons of each planet.

It is a very basic Physics simulation game, which provides only a basic information, hence it is good for kindergarten kids. This free Physics simulation helps kids to learn the names of all 9 planets of our Solar System in correct chronological order.

General Features of this free Physics simulation:

• Zoom in and zoom out features are available in this free Physics simulation software.
• It lets you vary the revolution speed of planets.
• Orbits: You can view or hide orbits by clicking this button.
• View: This button simulates the 3D model in different angles.

Asynx Planetarium

Asynx Planetarium is another Physics simulation in this segment. Download this free Physics simulation on your PC and start a space adventure. Unlike Solar System 3D Simulator software in this list, this Physics simulation not only provides information about the Sun and its planets, but also comes with a good collection of Constellations. There are more than 90 Constellations in the software. Some of these include: Draco – the Dragon, Libra – the Scales, Leo – the Lion, Mensa – the Table Mountain, Musca – the Fly, Taurus – the Bull , etc. It also displays the phases of the moon in real time simulation with different Constellations.

It comes with control buttons, with the help of which you can start/stop the simulation, vary its speed, zoom in and zoom out of the Physics animation. It also comes with a sync button. Enabling sync feature, it simulates the phases of the moon with respect to the Solar System simulation. It also displays the phases of the moon in real time. Moreover, it also displays the Longitude, Latitude, and Astronomical Unit from the Sun for each planet. Apart from these features, you can view the simulation of Inner Planets and Outer planets.

Like Solar System 3D Simulator, it also provides you the basic information of each planet and the Sun, which includes: Planet name, altitude, distance from the Earth, distance from the Sun, gravity, temperature , etc.

This free Physics animation software is available in more than 5 languages. Some of these are English, French, German, Czech, Spanish, Russian, etc.

The International Astronomical Union declared Pluto as a Dwarf Planet in 2006, but this Physics simulation freeware has only 8 Planets.

Chain Reaction

Chain Reaction is another free Physics game in this list. This is a Windows 10 Physics Simulation app that is based on the concept of chain reactions. There are more than 20 exciting levels, which comprise of a closed box in which there are freely moving atomic particles. Your aim is to carry chain reactions in this closed box by triggering a Red dot to complete a level. To start a chain reaction, just left click using mouse. As a chain reaction starts, these atomic particles start sticking on the Red dot, which results in fusion of atoms. This is termed as an Explosion in the game. Due to the fusion of atoms, the area near the Red dot starts increasing, which increases the rate of fusion.

To complete a level, you have to explode the given number of atoms. For each explosion, you will get some points.

Heart Box

Heart Box is another free Physics game for PC. This free Windows 10 app is based on the theory of Gravity. Everything on the Earth is attracted towards the Earth by its gravitational pull. Follow this theory of Gravity to clear all levels of the game.

How to play this free Physics simulation game:

Heart Box is very simple Physics game for Windows 10. There is a square box (named Heart Box here) provided in the game. Your aim is to take that box to the bucket provided in the game by creating a slope. Initially Heart Box is placed on a horizontal rod placed on two small square boxes. You have to cleave one of these boxes in order to create a slope, so Heart Box starts sliding. In this way, you have to make a path which guides Heart Box to destination point.

This Physics game comes with a lot of interesting levels. You have to complete the previous level to jump to the next one. But, if you want to play any random level, you have to purchase its full version, which comes with all levels unlocked.

NOTE : This is an Ad supported version.

States Of Matter

States Of Matter is another Physics simulation software in this list. This software simulates states of matter and lets you know the effect of the change in temperature on different states of matter. Simulation is provided for all three states of matter. i.e. solid, liquid, and gas. You can study these three states of matter with real-time simulation. Download this Physics simulation freeware and observe what happens to atoms and molecules of different states of matter when you increase or decrease the temperature.

It features two types of simulations: One is Solid, Liquid, Gas , and other is Phase Changes . Both the simulations comprise of a closed vessel, a thermometer, and a temperature controller, but in the latter simulation, there are two other components, a pump and a pressure gauge.

Experiments are carried out on four different elements (Neon, Argon, Oxygen, and Water) in a closed vessel by varying temperature of the vessel. The thermometer displays the current temperature inside the vessel.

Phase Changes simulation of this freeware shows the pressure inside the vessel with respect to temperature. You can increase pressure by increasing the temperature of the vessel and vice-versa. If you want to vary pressure at a constant temperature, you can vary it by adding more molecules of an element with the help of a pump.

By changing the states of a particular element, you can observe the strength of covalent bonds among molecules and the effect of temperature on these covalent bonds.

Magnet and Compass

Magnet and Compass is another free Physics simulation software for PC. This is a very simple Physics simulation software, which teaches you about the electromagnetic fields of the Earth. It shows how the needle in a magnetic compass deflects and guides us in correct direction. You can vary the strength of the magnet field. A field meter is also provided in the software, with the help of which you can check the intensity of magnetic field at different points.

This free Physics simulation lets you learn the working principle of a magnetic compass.

Весьма занимательная программка, позволяющая моделировать всевозможные механические системы и ситуации в двухмерном пространстве, простыми движениями мыши.

Шекспир когда-то сказал: "Весь мир - театр, а люди в нем - актеры". Это если исходить с позиции художественного образа мышления. Если же посмотреть на мир с научной точки зрения, то можно перефразировать великого драматурга: "Весь мир - природа, а люди в ней объекты":). А при чем тут природа? Да при том, что по-гречески "природа" будет "физис", а отсюда и название главной науки обо всем сущем - "физика".

Физические явления окружают нас с самого раннего детства, и у каждого ребенка рано или поздно возникают разнообразные вопросы: "Почему светит солнце? Почему идет дождь? Почему бутерброд всегда падает на пол, а не зависает в воздухе? :)". И по мере взросления ребенок, пытаясь получить ответы на эти вопросы, методом "научного тыка" познает окружающий его мир и законы его существования. Но не всегда такие эксперименты заканчиваются безболезненно.

Именно для того, чтобы можно было безопасно, для ребенка и для окружающего его мира:), смоделировать любой физический процесс, я рекомендовал бы использовать программу Phun .

Доступная на сегодняшний день версия 5.28 - это довольно симпатично оформленная среда для механического моделирования. Несмотря на кажущуюся несерьезность (программа оформлена в виде детского рисунка), Phun - довольно правдоподобно имитирует реальные физические условия (можно моделировать ситуации в условиях антигравитации, в воздушном и безвоздушном пространстве и т. д.).

Установка программы для моделирования механических процессов Phun

Но обо всем в свою очередь. Сейчас мы установим и попробуем разобраться с программой. Для этого скачиваем установочный дистрибутив Phun, запускаем инсталлятор и ждем, когда все установится:).

Сразу оговорюсь, если у Вас старый компьютер с довольно слабенькой видеокартой, то Phun в таком случае будет заметно притормаживать. Хотя заявлена поддержка (правда более ранней 4-ой версии) видеокарт с 32 МБ памяти, на моем компьютере со 128 МБ программа иногда подвисала довольно ощутимо. Я думаю, что оптимальный вариант будет около 256 МБ.

Пока мы с Вами говорили, Phun уже установилась и жаждет запуска. Не знаю, баг ли это в программе или косяк с моей системой в частности, но когда я согласился на запуск программы сразу после установки, то она на меня ругнулась и отказалась запускаться. Пришлось запускать ее вручную (стартовала без проблем:)).

Русификация программы

Перед нами окно программы с приветственным проектом:

Программа по умолчанию - английская, но в пятой версии появилась и русская локализация. Чтобы русифицировать Phun, заходим в меню "File" и в пункте "Change language" выбираем опцию "Russian". Готово!

Теперь, когда мы имеем дело с русской версией, рассмотрим элементы управления программой.

Интерфейс программы

В самом верху Вы видите немного стилизированную, но привычную по другим приложениям строку меню.

Меню "Файл" позволяет настроить сцену под проект (сохранить, очистить), загрузить или создать новую сцену, сменить язык, переключить вид, проверить обновления, скачать дополнительные сцены или купить полную версию (хотя зачем, если и бесплатной хватает с головой).

Меню "Инструменты", "Управление" и "Контекстное меню" позволяют скрыть или отобразить соответствующие вкладки программы.

Меню "Инструменты":

Здесь собраны все те приспособления, при помощи которых мы будем создавать нужные нам для эксперимента объекты. Вся панель разделена на три зоны: в первой зоне инструменты для перемещения объектов, во второй - для рисования, а в третьей - для вставки механизмов. Рассмотрим их по порядку.

Первую панель открывает инструмент "Перемещение", который позволяет нам перемещать любые объекты в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Инструмент "Рука" также служит для перемещения, однако может выполнять свою функцию в уже запущенном эксперименте.

Инструмент "Вращение" нужен для вращения объектов вокруг их центра тяжести или крепления. Инструмент "Масштаб" позволяет изменять размеры любых объектов. "Нож" - предназначен для разделения любого предмета на части, причем работает он и в режиме подготовки эксперимента и в режиме проигрывания.

В панели рисования первый инструмент - "Полигон". С его помощью Вы сможете нарисовать любую фигуру "от руки" или ровный многоугольник (для этого зажмите и удерживайте клавишу Shift, чтобы нарисовать ровную линию). Инструмент "Кисть" позволяет рисовать любые линии, фигуры и объекты вручную.

"Прямоугольник" помогает нам нарисовать четкий прямоугольник или квадрат (также зажав Shift), а с инструментом "Круг" Вы всегда сможете начертить ровный круг. Далее идут три специализированных инструмента "Шестерня", "Плоскость" и "Цепь". Все они соответственно создают свои объекты.

Третья панель также предназначена для создания специальных объектов со своими физическими характеристиками. Здесь находятся инструменты "Пружина", "Крепление", "Ось" и "След". Назначение первых троих, я думаю, объяснять не надо, а последний служит для отображения инерционного следа от движения какого-либо объекта, к которому прикреплен инструмент (см. пример Cycloid).

Меню "Управление":

Здесь мы видим нечто похожее на пульт управления стандартным плеером. Здесь есть кнопки реверса (отменить/повторить) и "плей" (соответственно, запустить эксперимент).

Далее находится ползунок масштаба и две кнопки навигации. Масштаб в Phun можно изменять тремя способами: передвигая ползунок, зажав левую кнопку мыши на кнопке (+/-) или колесом мыши, когда она находится над полем эксперимента. Кнопка со стрелками служит для перемещения по рабочему полю. Зажмите ее и, удерживая, перемещайте мышь. Хотя, по-моему, удобнее делать то же самое, зажав кнопку мыши в любом месте на рабочем поле.

Две последние кнопки панели управления служат для создания невесомости и безвоздушного пространства. По умолчанию гравитация соответствует настоящему значению в 9,8 м/с 2 , а сила сопротивления воздуха - 1. Но эти значения легко можно изменить в "Настройках" в подменю "Симулятор". Там же можно установить скорость симуляции (по умолчанию - 1).

Перед тем, как приступать к созданию собственных сцен, следует рассмотреть еще одну немаловажную деталь управления - контекстное меню.

В Phun контекстное меню у Вас всегда на виду, и Вы легко можете изменять свойства любого объекта в реальном времени. В самом общем виде контекстное меню отображается для рабочей области. Здесь мы можем настроить вид сцены, добавить один из готовых объектов на выбор и изменить цвет фона.

Для каждого нового объекта функции будут расширяться, дополняясь такими как клонирование, действия, выбор материала, настройка контуров и т. д.

Теперь мы готовы к работе с Phun, и для начала предлагаю провести небольшой эксперимент, чтобы проверить срабатывает ли в программе закон всемирного тяготения.

Первый эксперимент

Для этого в меню "Файл" выберем "Новая сцена" и нарисуем горизонтальную плоскость (0°). Теперь на одинаковой высоте подвесим два тела побольше и поменьше (для интереса маленький шарик я сделал из метала, а большой из стекла).

Все готово для эксперимента, осталось только нажать "Пуск!". Как видим, оба тела с одинаковой скоростью полетели вниз. Единственным минусом оказалось то, что стеклянный шар не разбился:((ненатурально получилось). В остальном же тела повели себя так, как и должны были бы настоящие их аналоги.

Более сложные манипуляции с телами и жидкостями

Усложним эксперимент, добавив вместо твердой поверхности, на которую приземляются тела, воду.

Поставим два столба (прямоугольника) и жестко их закрепим. Это будет емкость для нашей воды. Теперь "нальем" в нее саму воду. Чтобы создать воду, достаточно нарисовать между столбами большой предмет, а затем в его контекстном меню выбрать в "Действиях" пункт "Превратить в воду".

Готово! Можно запускать эксперимент.

Готовые сцены

Обзор программы был бы неполным, если бы я не упомянул, что для Phun существует множество готовых сцен. Несколько из них доступно, если нажать в меню "Файл" кнопку "Открыть сцену". Если же Вам и этого мало, Вы всегда можете скачать из Интернета тысячи других. Достаточно в том же меню "Файл" выбрать пункт "Скачать еще сцены".

Желаю Вам творческих успехов и всегда удачных экспериментов:)!

И традиционно, флеш-игра, также основанная на некоторой доле физики. Здесь мы управляем магнитным погрузчиком, основная задача которого - погрузить в машину все ящики. Но чем дальше, тем сложнее это сделать.

P.S. Разрешается свободно копировать и цитировать данную статью при условии указания открытой активной ссылки на источник и сохранения авторства Руслана Тертышного.

P.P.S. Если Вам понравилась эта программа, то советую обратить внимание на еще одну не менее интересную. Программа Начала Электроники позволит Вам моделировать реальные процессы в разнообразных электрических схемах, которые Вы же и создаете!