Icon up Overzicht

Virtuele natuur

Onderwerp: Arbeid en energie, Gas en vloeistof, Kracht en beweging, Kracht in evenwichtssituaties, Modelleren, Rechtlijnige beweging, Thermische processen

Bij Corus (voorheen Hoogovens) voorspelt men met numerieke modellen hoe het metaal zich houdt in de metaalpers. Marjon de Hond gebruikt elke dag een numeriek model om het weer te voorspellen. Daan Frenkel doet onderzoek naar processen in het gedrag van vloeistoffen en gassen bij hoge druk en temperatuur. Ze maken allemaal gebruik van numerieke modellen.

Dit artikel is een onderdeel van een omvangrijk pakket "natuurkundig modelleren". Voor het totale overzicht van dit materiaal kunt u de overzichtspagina "natuurkundig modelleren" bekijken.

Van biljartbal naar crashtest

Een botsing tussen twee biljartballen kun je berekenen als je de formule F=m.a kent en weet dat energie altijd behouden is. Maar bijna alle praktische problemen zijn ingewikkelder. Ga maar na. Om de gevolgen van het persen van dun metaal te voorspellen, moet je heel precies berekenen hoe elk stukje metaal indeukt, waar er scheurtjes optreden en hoe sommige stukken staal terugveren. De enorme hoeveelheid deeltjes die in kaart moet worden gebracht, maakt de berekening wel enorm lastig. De natuurkunde die je gebruikt, is dus te begrijpen voor een middelbare scholier. Alleen vanwege de enorme hoeveelheid berekeningen kunnen we met potlood en papier het verloop niet doorrekenen.

Met de computer als hulpmiddel kunnen dit soort vraagstukken wel worden aangepakt. Het grote probleem wordt opgedeeld in vele kleine problemen, die stuk voor stuk kunnen worden opgelost. Zo kan elke vierkante centimeter staal van een auto individueel in kaart worden gebracht. Bij andere problemen houdt de computer bij hoe elk afzonderlijk molecuul zich in een vloeistof gedraagt. Of hoe verschillende stoffen zich in de aardatmosfeer bewegen. Voor elk onderdeel wordt de invloed van de naburige onderdelen uitgerekend. Wordt er een kracht uitgeoefend? Hoe vast zit het ene onderdeel aan het andere?

Kookpunten

Een voorbeeld daarvan vormen de berekeningen voor destillatie van een mengsel ruwe olie die Berend Smit - tegenwoordig hoogleraar aan de Universiteit van Amsterdam - uitvoerde op het laboratorium van Shell in Amsterdam. In zo’n mengsel zitten veel verschillende koolwaterstoffen. Een oliemaatschappij wil precies weten bij welke temperatuur de verschillende stoffen gaan koken. Dat is bijvoorbeeld belangrijk bij destillatieprocessen. Van lang niet alle ingrediënten kennen we het kookpunt. Sommige koken bij een zó hoge temperatuur, dat de kookpunten in de praktijk moeilijk afzonderlijk zijn te meten. Voor de computer is dat geen probleem.

Lees meer over modellen die gebruikt worden in de olie-industrie. Kritische eigenschappen van alkanen

Een simulatie van de aanloop naar een kristalisatiekern in een vloeistof (Bron: FOM/AMOLF)

Corus

Staalgigant Corus wil de strijd aangaan met lichtgewicht metalen als aluminium. Corus ontwikkelt daarom een lichtgewicht autocarroserie die 25% lichter is dan die van een gangbaar model. De eigenschappen van het staal worden beïnvloed door het toevoegen van bijvoorbeeld fosfor of niobium. Omdat het hogesterktestaal moeilijker is te bewerken, is het niet duidelijk hoe het metaal zich gedraagt in de metaalpers. Uitproberen is een erg dure gok. Corus maakt daarom gebuik van numerieke modellen om het gedrag van de nieuwe staalsoort in de pers te voorspellen.

Onderzoek naar auto's van lichtgewicht staal (Bron: Corus/Product Applicatie Centrum)

Marjon de Hond

Marjon de Hond, Erwin krol en al die andere helden van het weer maken bij hun dagelijkse voorspelling altijd gebruik van numerieke modellen. De mooie plaatjes van boven zijn de uitkomsten van zeer complexe modellen. Het model gebruikt de gemeten temperatuur, druk, luchtvochtigheid, stromingen in luchtlagen en andere bruikbare waarnemingen als startwaarden voor de berekeningen van morgen. Hieronder zie je het resultaat van zo'n rekensessie:

Weersverwachting voor 22 september 2003. De weerkaart is gebaseerd op de uitkomsten van de atmosferische modellen HIRLAM en ECMWF. Voor actuele weerkaarten kun je de KNMI-site bezoeken. (Bron: KNMI)

Je kunt aan de hand van het weer van vandaag bekijken of de weermodellen voor vandaag kloppen. Ga naar Actuele weerkaarten bij het KNMI. voor de voorspelling voor vandaag.

Meteologie studeren? Lees ook het interview met Marjon de Hond.

Een computer ontploft niet...

Zo is de computer een krachtig instrument geworden voor natuurkundigen. Het is een nieuwe manier om kennis te vergroten, naast de twee traditionele middelen die de natuurkundigen ter beschikking staan: experimenten en theoretische beschouwingen. De computer speelt na wat op papier niet uit te rekenen is. De computer simuleert omstandigheden die met experimenten niet makkelijk zijn na te doen. Een computer ontploft niet en wordt niet moe van steeds maar weer dezelfde wiskundige handeling. Dat is wel zo prettig.