MINT-Simulationssoftware: Druck, Strömung, Auftrieb und Wärme sehen

Physik, die Sie verändern und deren Reaktion Sie sehen

In einem Lehrbuch sind Druck, Auftrieb und Wärmeübertragung Diagramme und Gleichungen. In Visaria ist jedes davon ein Live-Experiment. Sie bauen eine Szene auf, starten die Simulation, und die Physik läuft in 3D auf Ihrer eigenen Grafikkarte ab. Dann ändern Sie eine Sache und sehen genau, was diese Sache bewirkt hat.

Es eignet sich für Schüler und Oberstufenschüler, Studierende, Lehrkräfte, Bastler, Hobbyforscher und alle, die neugierig sind, wie Dinge funktionieren.

Das ist die Idee hinter jedem Beispiel auf dieser Seite: eine Variable ändern, die Reaktion beobachten, dann zurückändern. So entwickeln Wissenschaftler und Ingenieure Intuition, und es ist viel einfacher, wenn die Reaktion in Sekunden statt nach einer langen Rechnung eintrifft.

Druck, Geschwindigkeit und Strömung

Platzieren Sie eine Form in einem Luftstrom, und Visaria färbt den Raum darum nach Druck oder Geschwindigkeit ein und zeichnet Stromlinien, die zeigen, wohin die Luft strömt. Sie sehen, wie sich vorn an der Form Druck aufbaut, die Luft um sie herum beschleunigt, die Strömung sich von der Oberfläche ablöst und dahinter ein wirbelnder, turbulenter Nachlauf entsteht.

• Ändern Sie die Geschwindigkeit der Luft und beobachten Sie, wie Druck und Nachlauf reagieren.
• Ändern Sie die Form, von einem stumpfen Block zu einer glatten, stromlinienförmigen Gestalt, und sehen Sie, wie der Nachlauf schrumpft.
• Schalten Sie eine bewegte Straße ein, die die Strömung unter einem Fahrzeug verändert.
• Lesen Sie die Widerstands- und Auftriebswerte ab, während sich die Strömung einstellt, als Hinweis darauf, wie sich die Konstruktion verhält.

Das ist dieselbe Idee wie ein Windkanal, nur ohne Kanal. Mehr auf der Seite virtueller Windkanal.

Wärme erzeugt Auftrieb

Warme Luft ist weniger dicht als kalte Luft und steigt deshalb auf. Darum wärmt ein Heizkörper einen ganzen Raum, darum streckt sich eine Kerzenflamme nach oben und darum fliegen Heißluftballons. Im Aero-und-Thermal-Solver können Sie das sehen: Platzieren Sie ein erwärmtes Objekt in ruhender Luft, und eine Fahne warmer Luft steigt davon auf und zieht von unten kühlere Luft nach. Ingenieure nennen das Ergebnis natürliche Konvektion.

Auftrieb ist ein physikalischer Effekt, den Sie ein- und ausschalten können. Ohne ihn breitet sich die Wärme in der Luft nur durch Wärmeleitung und durch die von Ihnen eingestellte Strömung aus. Mit ihm treibt die Wärme ihre eigene Strömung an, und das ganze Bild ändert sich. Beides in derselben Szene zu vergleichen, ist der schnellste Weg zu verstehen, was der Auftrieb tatsächlich hinzufügt.

Physikalische Effekte ein- und ausschalten

Echte Wärmeübertragung besteht aus mehreren Effekten gleichzeitig: Wärmeleitung durch Festkörper, Konvektion durch bewegtes Fluid, Auftrieb durch Dichteunterschiede und Strahlung zwischen Oberflächen. Wie viel jeder davon beiträgt, lässt sich durch Nachdenken kaum sagen. In Visaria können Sie sie im Thermal-Solver ein- und ausschalten und die Reaktion sehen.

• Nur Wärmeleitung. Die Wärme kriecht durch das Material, die Luft bleibt außen vor.
• Konvektion hinzufügen. Bewegte Luft trägt Wärme fort, sodass ein Lüfter oder ein Luftzug die Temperatur sichtbar beeinflusst.
• Auftrieb hinzufügen. Warme Luft steigt nun von selbst auf, mit oder ohne Lüfter.
• Strahlung hinzufügen. Heiße Oberflächen tauschen nun über den Zwischenraum hinweg Wärme mit ihrer Umgebung aus.

Der Vergleich der Läufe zeigt, welcher Effekt in einer bestimmten Situation am wichtigsten ist und warum ein Kühlkörper Rippen hat. Was Sie sehen, hängt vom Szenario ab, probieren Sie dieselben Schalter daher an anderen Aufbauten aus.

Gase, die aufsteigen, und Gase, die absinken

Auftrieb wirkt in beide Richtungen. Ein Gas, das leichter als Luft ist, steigt auf und breitet sich unter der Decke aus, ein schwereres sinkt ab und sammelt sich am Boden. Im Aero-und-Gas-Solver wählen Sie ein Gas, legen fest, wo es eintritt und wie schnell, fügen etwas Luftströmung hinzu und beobachten die Fahne. Das Learning-Hub-Thema „Wie mächtig Auftrieb ist“ verweist auf fertige Szenarien.

Mehr unter Gasausbreitungssimulation.

Viskosität verändert alles

Viskosität beschreibt, wie stark ein Fluid dem Fließen widersteht, wie „zäh“ es ist. Sie ist leicht zu definieren und überraschend schwer vorstellbar. In Visaria können Sie sie ändern und die Folgen beobachten: Ein dünnflüssiges Fluid strömt schnell um ein Hindernis und zerfällt in Wirbel, während ein zähflüssigeres sich in glatten, langsamen Schichten bewegt und länger an Oberflächen haftet. Dasselbe Experiment funktioniert für Wasser und für Luft, und die Form des Nachlaufs, die Schichten an der Oberfläche und die Art, wie sich die Strömung einstellt, ändern sich alle mit.

Probieren Sie dieselbe Szene zweimal mit unterschiedlicher Viskosität aus oder mit demselben Fluid und einem anderen Hindernis. Wasser, das um einen Zylinder und mehrere Blöcke fließt, sieht von Lauf zu Lauf sehr unterschiedlich aus, und zu verstehen, warum, ist der Anfang des Verständnisses der Strömungsmechanik.

Wellen, Schwappen und freie Oberflächen

Der Liquids-und-Wellendynamik-Solver fügt eine freie Oberfläche hinzu, die Grenze zwischen Wasser und Luft. Sie können Behälter füllen und leeren, Wellen in Gang setzen, Wasser schwappen und gegen Wände spritzen sehen und Hindernisse hineinwerfen. Wellen werden reflektiert, überlagern sich und brechen, was sich in 3D viel besser nachvollziehen lässt als in einem Diagramm. Mehr unter Wassersimulation.

Experimente nach Fach

• Physik, von der Schulphysik bis zum Leistungskurs. Druck und Geschwindigkeit in einem bewegten Fluid, Kräfte auf einen Körper in einer Strömung, Auftrieb, Dichte, Wellenverhalten.
• Naturwissenschaften und Wärme. Wärmeleitung, Konvektion und Strahlung, natürliche Konvektion, warum sich Materialien heiß oder kalt anfühlen, Verhalten von Gasen.
• Technik und Konstruktion. Testen Sie die Form eines Autos, einer Modellrakete, eines Brückenpfeilers oder eines Kühlkörpers. Importieren Sie eine STL-Datei aus einem 3D-Druck- oder CAD-Programm oder bauen Sie sie im Mesh Builder aus einfachen Formen.
• Mathematik und Informatik. Wie eine Simulation funktioniert: das Gitter, Randbedingungen, Konvergenz und warum mehr Detail mehr Rechenaufwand kostet. Die Seite CFD für Studierende behandelt das.

Strukturanalyse (FEA) mit Kräften, Spannungen und Dynamik ist als künftiger Solver geplant und noch nicht verfügbar.

Erklärt sich selbst

Visaria enthält einen Learning Hub mit Schritt-für-Schritt-Anleitungen, die direkt zu Demonstrationen und Szenario-Einstellungen führen, umfangreiche Tooltipps sowie ein durchsuchbares Glossar und eine Parameterreferenz. Zusätzlich geben die „So funktioniert es“-Seiten in der App einen Überblick darüber, wie jeder Solver funktioniert, welche Grundprinzipien und Parameter wichtig sind und worauf man für gute Ergebnisse besonders achten sollte. Das eignet sich für selbstgesteuertes Lernen und für eine Lehrkraft, die einer Klasse zeigt, was passiert, wenn sich eine Einstellung ändert.

Ehrlich, was es ist

Visaria verwendet ein grobes Voxelgitter und Solver, die auf Echtzeit ausgelegt sind, daher sind die Ergebnisse indikativ. Es soll helfen zu verstehen, wie sich die Physik verhält, und keine validierten Ingenieurzahlen liefern. Verwenden Sie es nicht für Konstruktionsfreigaben, Zertifizierungen oder sicherheitsrelevante Entscheidungen.

Schüler, Studierende, Lehrkräfte und Ausprobieren

Die kostenlose 7-Tage-Testversion enthält die Solver Aero, Gas, Thermal und Water, mit Beispielzugang zum Learning Hub, und braucht keine Zahlungskarte. Visaria ist für Personen ab 13 Jahren gedacht. Ermäßigte Studierendenlizenzen sind auf Anfrage für Personen ab 16 Jahren in Vollzeitausbildung erhältlich (ein Elternteil oder Erziehungsberechtigter beantragt und kauft, wenn Sie unter 18 sind). Lehrkräfte und Dozenten können unter education@visaria.dev nach Lizenzen für Klassen, Labore und Fachbereiche fragen. Die Standardtarife finden Sie unter Preise.

Prüfen Sie zuerst den Computer. Visaria läuft unter Windows und benötigt eine dedizierte Grafikkarte: Mindestens eine NVIDIA GeForce GTX 1050 oder AMD Radeon RX 560, empfohlen wird eine RTX 2060 oder RX 5600 XT oder besser, dazu ein Intel Core i5 der 8. Generation (oder gleichwertig) und 8 GB Arbeitsspeicher. Versionen für Mac und Linux folgen in Kürze. Mit der kostenlosen Testversion prüfen Sie am schnellsten, ob Visaria auf Ihrem Computer gut läuft. Viele Schulcomputer haben keine dedizierte Grafikkarte, probieren Sie die Testversion daher auf dem Rechner aus, den Sie tatsächlich nutzen wollen. Fehlt einem Desktop-Computer eine solche Karte, kann eine gute dedizierte Grafikkarte unter 150 $ kosten und ist eine lohnende Investition: Sie verbessert die Leistung insgesamt deutlich und lässt Visaria glänzen.