Ingenieurs van Caltech hebben een computersimulatie van bubbelringen onder water gemaakt die zo realistisch is dat ze vrijwel niet te onderscheiden zijn van een echte video. Het punt van het onderzoek, echter, gaat veel verder dan het maken van computergraphics van de volgende generatie. In plaats daarvan, de ontwikkelaars hopen dat de simulatie licht kan werpen op de wiskunde en de krachten die dergelijke verschijnselen beheersen.

"Als we deze abstracties maken, we willen nog steeds een fundamentele waarheid over het universum vastleggen, " zegt Peter Schröder, de Shaler Arthur Hanisch hoogleraar Computerwetenschappen en Toegepaste en Computational Mathematics in de afdeling Engineering and Applied Science, wiens team de simulatie heeft gebouwd.

Bubbelringen worden het vaakst gezien in online video's gemaakt door duikers, die de ringen uitblazen op een manier die vergelijkbaar is met rokers die rookringen blazen. Het team van Schröder simuleerde twee onderwaterringen van lucht die samensmelten en weer uit elkaar spatten. Ze zullen hun werk presenteren op de International Conference and Exhibition on Computer Graphics &Interactive Techniques (SIGGRAPH), van 28 juli tot 1 augustus in Los Angeles.

Het project begon met een poging om zonnevlammen beter te begrijpen, dat zijn enorme lussen plasma die uit het oppervlak van de zon schieten. Het ontstaan ​​en de groei van zonnevlammen wordt bepaald door een aantal complexe krachten (bijvoorbeeld het sterke magnetische veld van de zon) die het modelleren en begrijpen ervan moeilijk maken, zegt Schröder.

Vanwege de complexiteit van het probleem, Het team van Schröder brak het in kleinere individuele stukken. "Als je naar video's van de zon en de uitbarstingen op het oppervlak van de zon kijkt, je kunt deze grote bogen zien van wat fluxkabels worden genoemd, " zegt Schröder. "Ze draaien en keren zich dan tegen zichzelf, en er zijn gewelddadige gebeurtenissen waarbij de lus in zichzelf loopt. Dit lijkt een beetje op wanneer twee vortexfilamenten - twee bellenringen - elkaar ontmoeten. Er is een zeer gewelddadige reactie waarbij ze samensmelten of een sectie wordt afgeknepen, met golven die langs de bellenring reizen."

een soortgelijke, maar een zachtere versie kan worden gemaakt door inkt in water te laten vallen. De inkt vormt een draaiende donutvorm die zich vervolgens vertakt in zogenaamde inktkroonluchters.

Zonnevlammen, bellen ringen, en inktkroonluchters hebben allemaal één ding gemeen:draaien, vloeiende donutachtige vormen die rond een middellijn draaien. Dus, het effectief modelleren van een van de fenomenen zou gedeeltelijk inzicht moeten bieden in de andere, zegt Schröder.

"De hoop van ons werk is om geometrische inzichten te verschaffen. We kijken altijd naar de geometrie van dingen en hun gedrag - in dit geval, we kijken naar de geometrie van deze centrale kromme van de bellenring die beweegt en de veranderingen in zijn dikte, " hij zegt.

Om te meten hoe nauwkeurig zijn computersimulaties de werkelijkheid modelleren, Schröder vergelijkt ze zij aan zij met video's van het echte werk. Zelfs als hij niet alle mogelijke variabelen perfect vastgepind heeft, als de twee video's vrijwel niet van elkaar te onderscheiden zijn, hij doet waarschijnlijk iets goed.

"Nutsvoorzieningen, we hebben een visuele vergelijking omdat er geen manier is om te zeggen, "Wauw, dat heb je precies goed." Het is te ingewikkeld om kwantitatief te verifiëren; er zijn te veel variabelen. Maar als je de visualisatie ziet, het oog zal zeggen, "Ja, dit is een wedstrijd, "" hij zegt. "Ik nodig iedereen uit om ernaar te kijken en me te vertellen of ze denken dat het een match is. We hebben er een goed gevoel bij."

Die kwalitatieve - in plaats van kwantitatieve - analyse kan naar de maatstaven van een wiskundige onnauwkeurig lijken, maar het heeft geleid tot een aantal prachtige "a-ha"-momenten voor Schröder, wanneer de computersimulatie er zo realistisch uitziet dat hij er zeker van kan zijn dat de wiskunde die hij heeft gebruikt om het te bouwen degene is die de verschijnselen in de echte wereld beheerst.

"Wat mij drijft, is het vinden van deze mooie beschrijvingen van iets dat er vreselijk ingewikkeld uitziet, maar kan worden teruggebracht tot een paar wiskundige sleutelbegrippen. Dan volgt de rest gewoon. Het is mooi om te zien dat een heel eenvoudig principe ineens aanleiding geeft tot de complexe verschijning die we waarnemen, ', zegt Schröder.