„Particles“ – die Physik-App für ideale Gase
Mit der kostenfreien Android-App „Particle Physics Simulator“ lassen sich unterschiedliche Phänomene von Gasen im Teilchenmodell simulieren.
Die App bietet verschiedene Einstellmöglichkeiten und eignet sich beispielsweise zur Veranschaulichung der Brownschen Molekularbewegung oder des Ausgleichsbestrebens von Gasen.
Durch Anklicken des Teilchenmodus-Buttons in der unteren Optionsleiste und anschließendem unterschiedlich langem Tippen in die Simulationsfläche lassen sich Teilchen unterschiedlicher Massen erzeugen. Zieht man nun während des Berührens des Bildschirms seinen Finger etwas zur Seite, so erzeugt man Teilchen mit Impuls, die sich dann innerhalb der Simulationsfläche bewegen und an den Seiten abprallen. Da sich die simulierten Teilchen frei bewegen können, verhältnismäßig klein sind und es bei Zusammenstößen mit dem Bildschirmrand oder miteinander ausschließlich zu elastischen Stößen kommt, lässt sich so eine Simulation der Grundeigenschaften eines idealen Gases beobachten.
Für die Simulationen empfiehlt es sich, zunächst einige Grundeinstellungen über den Menüpunkt „Settings“ festzulegen. Hierzu zählt das Abschalten der Anziehung zwischen den Teilchen (gravity strength: no gravity), das Deaktivieren eventuell anfänglich vorhandener Teilchen (particle count: 0), das Deaktivieren schwarzer Löcher (black hole: no black hole), das Einstellen der Teilchenfarbe (particle color: yellow oder red) und deren Spurlänge (tail length: medium, bei sehr großer Bildschirmauflösung large). In der App sollte man nun neben einer Optionsleiste am unteren Ende und einem Schieberegler für die Simulationsgeschwindigkeit am oberen Ende zunächst nur eine schwarze Simulationsfläche sehen.
Brownsche Molekularbewegung
Fügt man neben einem großen, schweren Teilchen dem System viele weitere kleine Teilchen hinzu, so lässt sich leicht die Brownsche Molekularbewegung simulieren (Abbildung). Um die chaotische Zitterbewegung des makroskopischen Teilchens durch ständige elastische Stöße mit den kleinen Teilchen besser sichtbar zu machen, bietet es sich an, Teilchenspuren über die untere Optionsleiste zu aktivieren. Eine Erhöhung der Temperatur setzt man am besten durch eine Erhöhung der Simulationsgeschwindigkeit um (Vel.-Leiste am oberen Ende). In der Abbildung sind unten die Options-Buttons gezeigt: Teilchenmodus/Teilchenarten, Abstoßung, Gravitation, Teilchenspuren, Barrieren, Framerate und Teilchenzahl (v.l.n.r.).
Abb. Brownsche Molekularbewegung: Ein großes Teilchen macht eine Zitterbewegung aufgrund von Stößen vieler kleiner Teilchen.
Mit Particles lassen sich weitere physikalische Vorgänge, wie Expansion und Diffusion sowie der Einfluss der Gravitation simulieren. Wie das funktioniert, erfahren Sie in dem Originalbeitrag, der in der aktuellen Ausgabe von Physik in unserer Zeit erschienen ist. Sie erhalten ihn hier zum freien Download.
Jan-Philipp Burde, Thomas Wilhelm, Uni Frankfurt; Jochen Kuhn, TU Kaiserslautern, Stephan Lück, Uni Würzburg
