Software di simulazione STEM: guarda pressione, flusso, galleggiamento e calore

Fisica che puoi cambiare e di cui vedi la risposta

In un libro di testo pressione, galleggiamento e trasferimento di calore sono schemi ed equazioni. In Visaria ognuno è un esperimento dal vivo. Prepari una scena, premi avvio e la fisica si svolge in 3D sulla tua scheda grafica. Poi cambi una cosa e vedi esattamente che cosa faceva.

Va bene per studenti delle superiori e dell'università, docenti, maker, appassionati e per chiunque sia curioso di come funzionano le cose.

È l'idea che sta dietro a ogni esempio di questa pagina: cambia una variabile, osserva la risposta, poi rimettila com'era. È così che scienziati e ingegneri costruiscono l'intuito, ed è molto più facile quando la risposta arriva in pochi secondi invece che dopo un lungo calcolo.

Pressione, velocità e flusso

Metti una forma in una corrente d'aria e Visaria colora lo spazio attorno in base alla pressione o alla velocità e disegna linee di flusso che mostrano dove va l'aria. Puoi vedere la pressione accumularsi sul davanti della forma, l'aria accelerare attorno, il flusso staccarsi dalla superficie e formarsi dietro una scia turbolenta e vorticosa.

• Cambia la velocità dell'aria e osserva come reagiscono la pressione e la scia.
• Cambia la forma, da un blocco squadrato a una forma liscia e aerodinamica, e vedi come si restringe la scia.
• Attiva una strada in movimento, che cambia il flusso sotto un veicolo.
• Leggi i valori di resistenza e portanza mentre il flusso si assesta, come indicazione di come si sta comportando il progetto.

È la stessa idea di una galleria del vento, senza la galleria. Vedi la pagina sulla galleria del vento virtuale per saperne di più.

Il calore crea galleggiamento

L'aria calda è meno densa dell'aria fredda, quindi sale. Per questo un termosifone riscalda un'intera stanza, la fiamma di una candela si allunga verso l'alto e le mongolfiere volano. Nel solutore Aero e Thermal puoi vederlo accadere: metti un oggetto riscaldato in aria ferma e un pennacchio di aria calda sale da esso, richiamando aria più fresca da sotto. Gli ingegneri chiamano il risultato convezione naturale.

Il galleggiamento è un effetto fisico che puoi attivare e disattivare. Senza, il calore si diffonde nell'aria solo per conduzione e per il flusso che hai impostato. Con il galleggiamento, il calore genera un suo flusso e tutto il quadro cambia. Confrontare le due versioni sulla stessa scena è il modo più rapido per capire che cosa aggiunge davvero il galleggiamento.

Attiva e disattiva gli effetti fisici

Il vero trasferimento di calore è fatto di più effetti insieme: conduzione nei solidi, convezione trasportata dal fluido in movimento, galleggiamento dovuto alle differenze di densità e irraggiamento tra le superfici. È difficile capire a mente quanto contribuisca ciascuno. In Visaria puoi attivarli e disattivarli nel solutore termico e vedere la risposta.

• Solo conduzione. Il calore si propaga nel materiale e l'aria resta fuori.
• Aggiungi la convezione. L'aria in movimento porta via il calore, quindi una ventola o una brezza fanno una differenza visibile sulla temperatura.
• Aggiungi il galleggiamento. L'aria calda ora sale da sola, con o senza ventola.
• Aggiungi l'irraggiamento. Le superfici calde ora si scambiano calore con l'ambiente attraverso lo spazio che le separa.

Confrontando le simulazioni si vede quale effetto conta di più in una data situazione e perché un dissipatore di calore ha le alette. Quello che vedi dipende dallo scenario, quindi prova gli stessi interruttori su configurazioni diverse.

Gas che salgono e gas che scendono

Il galleggiamento agisce in entrambe le direzioni. Un gas più leggero dell'aria sale e si diffonde lungo il soffitto, uno più pesante scende e ristagna vicino al pavimento. Nel solutore Aero e Gas scegli un gas, imposti dove entra e a che velocità, aggiungi un po' di flusso d'aria e osservi il pennacchio. L'argomento del Centro di Apprendimento «quanto è potente il galleggiamento» rimanda a scenari già pronti.

Vedi la simulazione della dispersione dei gas per saperne di più.

La viscosità cambia tutto

La viscosità è quanto un fluido resiste allo scorrimento, quanto è «denso». È facile da definire e sorprendentemente difficile da immaginare. In Visaria puoi cambiarla e osservare le conseguenze: un fluido poco viscoso scorre veloce attorno a un ostacolo e si rompe in vortici, mentre uno più viscoso si muove in strati lisci e lenti e resta attaccato alle superfici più a lungo. Lo stesso esperimento funziona per l'acqua e per l'aria, e con la viscosità cambiano la forma della scia, gli strati vicini alla superficie e il modo in cui il flusso si assesta.

Prova la stessa scena due volte con viscosità diverse, oppure con lo stesso fluido e un ostacolo diverso. L'acqua che scorre attorno a un cilindro e a un gruppo di blocchi appare molto diversa da una prova all'altra, e capire perché è l'inizio della comprensione della fluidodinamica.

Onde, sciabordio e superfici libere

Il solutore Liquids e dinamica delle onde aggiunge una superficie libera, il confine tra acqua e aria. Puoi riempire e svuotare contenitori, mettere in moto le onde, guardare l'acqua sciabordare e spruzzare contro le pareti e lasciar cadere ostacoli al suo interno. Le onde si riflettono, interferiscono e si frangono, cosa molto più facile da apprezzare in 3D che in un diagramma. Vedi la simulazione dell'acqua per saperne di più.

Esperimenti per materia

• Fisica, dalle scienze di base fino alle superiori. Pressione e velocità in un fluido in movimento, forze su un corpo in un flusso, galleggiamento, densità, comportamento delle onde.
• Scienze e calore. Conduzione, convezione e irraggiamento, convezione naturale, perché i materiali sembrano caldi o freddi, comportamento dei gas.
• Ingegneria e tecnologia. Prova la forma di un'auto, di un razzo in scala, di una pila da ponte o di un dissipatore di calore. Importa un file STL da un programma di stampa 3D o CAD, oppure costruiscine uno nel Mesh Builder con forme semplici.
• Matematica e informatica. Come funziona una simulazione: la griglia, le condizioni al contorno, la convergenza e perché più dettaglio costa più calcolo. La pagina CFD per studenti ne parla.

L'analisi strutturale (FEA), con forze, sollecitazioni e dinamica, è prevista come futuro solutore e non è ancora disponibile.

Progettato per spiegarsi da solo

Visaria include un Centro di Apprendimento con guide passo passo che rimandano direttamente a dimostrazioni e impostazioni di scenario, molti suggerimenti, un glossario ricercabile e un riferimento ai parametri. In più, le pagine «Come funziona» nell'app offrono una panoramica di come funziona ogni solutore, dei principi e dei parametri chiave e dei principali punti di attenzione per ottenere buoni risultati. Questo lo rende adatto all'apprendimento autonomo e a un docente che mostra alla classe che cosa succede quando cambia un'impostazione.

Onesto su ciò che è

Visaria usa una griglia voxel grossolana e solutori ottimizzati per il tempo reale, quindi i suoi risultati sono indicativi. È fatto per aiutarti a capire come si comporta la fisica, non per produrre numeri ingegneristici validati. Non usarlo per approvare progetti, per certificazioni o per decisioni di sicurezza.

Studenti, docenti e come provarlo

La prova gratuita di 7 giorni include i solutori Aero, Gas, Thermal e Water, con un accesso di esempio al Centro di Apprendimento, e non richiede carta di pagamento. Visaria è pensato per chi ha 13 anni o più. Le licenze scontate per studenti sono disponibili su richiesta per chi ha 16 anni o più ed è in formazione a tempo pieno (un genitore o tutore fa la richiesta e l'acquisto se hai meno di 18 anni). Docenti e insegnanti possono chiedere informazioni sulle licenze per classi, laboratori e dipartimenti a education@visaria.dev. Consulta i prezzi per i piani standard.

Controlla prima il computer. Visaria funziona su Windows e richiede una scheda grafica dedicata: come minimo una NVIDIA GeForce GTX 1050 o AMD Radeon RX 560, e si consiglia una RTX 2060 o RX 5600 XT o superiore, con un Intel Core i5 di ottava generazione (o equivalente) e 8 GB di memoria. Le versioni per Mac e Linux arriveranno presto. La prova gratuita è il modo più rapido per verificare che giri bene sul tuo computer. Molti computer scolastici non hanno una scheda grafica dedicata, quindi prova la versione di prova sulla macchina che userai davvero. Se un computer desktop ne è privo, aggiungere una buona scheda grafica dedicata può costare meno di 150 $ ed è un buon investimento: migliora sensibilmente le prestazioni in generale e permette a Visaria di brillare.