速度-Verlet(Velocity-Verlet)算法是一种常用于分子动力学模拟的数值积分方法。它是一种二阶常微分方程(ODE)求解器,特别适用于处理具有光滑势能的力学系统。以下是使用Python实现速度-Verlet算法的基本步骤:
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
速度-Verlet算法通常用于模拟粒子在势能场中的运动。这里我们以谐振子为例,定义其势能函数:
def harmonic_potential(x, k=1.0):
"""谐振子的势能函数"""
return 0.5 * k * x**2
def velocity_verlet(positions, velocities, accelerations, dt, k=1.0):
"""速度-Verlet算法"""
num_particles = len(positions)
new_positions = np.zeros(num_particles)
new_velocities = np.zeros(num_particles)
for i in range(num_particles):
# 更新位置
new_positions[i] = positions[i] + velocities[i] * dt + 0.5 * accelerations[i] * dt**2
# 计算新的加速度(这里假设势能只依赖于位置)
new_accelerations = -k * new_positions
# 更新速度
new_velocities[i] = velocities[i] + 0.5 * (accelerations[i] + new_accelerations[i]) * dt
# 更新加速度列表
accelerations[i] = new_accelerations[i]
return new_positions, new_velocities, accelerations
# 初始化位置、速度和加速度
num_particles = 1
positions = np.array([0.0])
velocities = np.array([1.0])
accelerations = -harmonic_potential(positions)
# 设置时间步长和时间范围
dt = 0.01
total_time = 10.0
num_steps = int(total_time / dt)
# 存储位置和速度的历史记录
position_history = [positions.copy()]
velocity_history = [velocities.copy()]
# 运行速度-Verlet算法
for _ in range(num_steps):
positions, velocities, accelerations = velocity_verlet(positions, velocities, accelerations, dt)
position_history.append(positions.copy())
velocity_history.append(velocities.copy())
# 将历史记录转换为numpy数组
position_history = np.array(position_history)
velocity_history = np.array(velocity_history)
# 绘制位置和速度随时间的变化
plt.figure(figsize=(12, 6))
plt.subplot(1, 2, 1)
plt.plot(np.linspace(0, total_time, num_steps + 1), position_history[:, 0], label='Position')
plt.xlabel('Time')
plt.ylabel('Position')
plt.legend()
plt.subplot(1, 2, 2)
plt.plot(np.linspace(0, total_time, num_steps + 1), velocity_history[:, 0], label='Velocity')
plt.xlabel('Time')
plt.ylabel('Velocity')
plt.legend()
plt.tight_layout()
plt.show()
这个示例展示了如何使用速度-Verlet算法模拟一个简单的谐振子系统。你可以根据需要修改势能函数、初始条件、时间步长等参数,以适应不同的模拟需求。
领取专属 10元无门槛券
手把手带您无忧上云