Python可视化物理随机过程---pygame学习笔记2

Posted 2021-05-25 hhh_Moon_hhh

Python可视化物理随机过程—pygame学习笔记2

文章目录

• • Python可视化物理随机过程---pygame学习笔记2
  • 一、扩散现象的简单的介绍
  • 二、代码实现
  • 三、运行代码的效果展示
  • 四、总结

一、扩散现象的简单的介绍

在物理中有很多的随机过程，我们可以利用pygame中不错的可视化方法来进行物理随机过程的展示。

在此处，我们展示一下，物理之中的热学里面的扩算现象的可视化呈现。

所谓的热学里面的扩散现象就是说：原本分子或者原子在某一个封闭体系内部，但是，一旦打开这个封闭体系，那么分子或者原子就是会向外部进行扩散，而且，可以说根本不可能返回到最初的状态了。
第一个随机现象：
液体中的扩散：

第二个随机现象：
粒子的随机运动过程：

以上这个图片是最常见的液体内部的扩散的例子了。

当然，我们在此处所写的是小球的扩散代码了啦。

二、代码实现

此处给出代码以及代码的详细注释解说：

import pygame
# 导入游戏库

import pygame.locals
# 导入游戏库中的所有常量

import sys
# 导入系统交互模式的库

import time
# 导入时间的模块

import random
# 导入随机模块

import math
# 导入数学库模块

color_of_ball = 138, 43, 226
# 设置球的颜色

color_of_screen = 72, 209, 204
# 设置屏幕的颜色

color_of_rect = 25, 25, 112
# 设置矩形框框的颜色

RADIUS = 10
# 设置半径

N = 100
# 设置球的个数


if __name__ == '__main__':

    t1 = time.time()
    # 记录一下开始的时间

    pygame.init()
    # 初始化

    screen = pygame.display.set_mode((1000, 800))
    # 屏幕

    pygame.display.set_caption("Knocking Balls")
    # 设置名称

    vx_list = []
    vy_list = []
    # 设置速度的列表来存储不同的球的速度，分别存储 x 方向以及 y 方向

    for i in range(N):
        # 生成速度
        vx_list.append(random.random() * 2 * (- 1) ** random.randint(1, 2))
        vy_list.append(random.random() * 2 * (- 1) ** random.randint(1, 2))

    x_list = []
    y_list = []
    # 存储坐标

    for i in range(N):
        # 生成坐标
        x_list.append(random.randint(400, 600))
        y_list.append(random.randint(300, 500))

    while True:
        for event in pygame.event.get():
            # 设置结束的条件为：按下一个关闭的按钮

            if event.type == pygame.locals.QUIT:
                sys.exit()

        screen.fill(color_of_screen)
        # 设置屏幕的颜色
        for i in range(N):
            t2 = time.time()
            dt = t2 - t1
            if dt > 10:
                # 如果大于了十秒，那么我们就去掉框框，使得小球可以随机的运动，从而会使得小球扩散出去
                for j in range(N):
                    if j != i:
                        # 自己不能和自己进行碰撞
                        # 考虑到会发生碰撞
                        if math.sqrt((x_list[i] - x_list[j]) ** 2 + (y_list[i] - y_list[j]) ** 2) <= RADIUS * 2:
                            # 如果会发生碰撞那么就重新随机的设置速度
                            vx_list[i] = random.random() * 2 * (- 1) ** random.randint(1, 2)
                            vx_list[j] = random.random() * 2 * (- 1) ** random.randint(1, 2)
                            vy_list[i] = random.random() * 2 * (- 1) ** random.randint(1, 2)
                            vy_list[j] = random.random() * 2 * (- 1) ** random.randint(1, 2)
                # 不能从边界出去了呦
                if x_list[i] <= RADIUS or x_list[i] >= 1000 - RADIUS:
                    # 如果到了边界，那么就使得相应的方向上的速度反向
                    vx_list[i] = - vx_list[i]
                if y_list[i] <= RADIUS or y_list[i] >= 800 - RADIUS:
                    # 如果到了边界，那么就使得相应的方向上的速度反向
                    vy_list[i] = - vy_list[i]
            else:
                # 在十秒以内的话，我们就使得框框呈现出来，小球不可以出框框
                for j in range(N):
                    if j != i:
                        # 自己不能和自己进行碰撞
                        # 考虑到会发生碰撞
                        if math.sqrt((x_list[i] - x_list[j]) ** 2 + (y_list[i] - y_list[j]) ** 2) <= RADIUS * 2:
                            # 如果会发生碰撞那么就重新随机的设置速度
                            vx_list[i] = random.random() * 2 * (- 1) ** random.randint(1, 2)
                            vx_list[j] = random.random() * 2 * (- 1) ** random.randint(1, 2)
                            vy_list[i] = random.random() * 2 * (- 1) ** random.randint(1, 2)
                            vy_list[j] = random.random() * 2 * (- 1) ** random.randint(1, 2)
                # 不能从边界出去了呦
                if x_list[i] < RADIUS + 390 or x_list[i] > 610 - RADIUS:
                    # 如果到了边界，那么就使得相应的方向上的速度反向
                    vx_list[i] = - vx_list[i]
                if y_list[i] < RADIUS + 290 or y_list[i] > 510 - RADIUS:
                    # 如果到了边界，那么就使得相应的方向上的速度反向
                    vy_list[i] = - vy_list[i]
                    
                    
                # 绘制一个矩形来框住所有的球，这些球不能抛出框框到框框的外面去
                
                pygame.draw.rect(screen, color_of_rect, (380, 280, 240, 240), width=3)
            
            # 进行移动小球的位置
            x_list[i] += vx_list[i]
            y_list[i] += vy_list[i]
            
            # 绘制小球的位置以及大小颜色等信息
            pygame.draw.circle(screen, color_of_ball, (x_list[i], y_list[i]), RADIUS, width=5)
        
        time.sleep(0.001)
        # 睡眠 0.001 秒钟的时间
        
        pygame.display.update()
        # 更新画面

在这里面，所运用到方法全部都在我的另外一篇博文中有详细地介绍，如果不太清楚可以参考下方链接：
https://blog.csdn.net/m0_54218263/article/details/116898636?spm=1001.2014.3001.5502
里面有对于Pygame入门的简单操作以及一些方法的简单介绍。

三、运行代码的效果展示

这里我的代码实现的是：小球在不断的运动，同时彼此之间会发生一些碰撞以及其他的一些相互作用，这是一个动态的效果，但是，由于目前这里不方便发一个视频，所以，我才用不同的阶段使用不同的图片来表示出来了啦。

图片1、
初始的状态：

图片2、
框框存在时的装态：

图片3、
去掉框框以后不久的装态：

图片4、

图片5、
较长时间以后的状态：

图片6、
较长时间以后的状态：

图片7、
较长时间以后的状态：

四、总结

综上所述，我们使用Python代码实现了随机扩散现象的可视化处理，我们使用了Pygame这个模块使得扩散过程清晰的呈现了出来。

而且，我们也可以看到在去掉框框以后，小球都会向别的方向随机的扩散，最后的结果是小球几乎会均匀的分布在整个屏幕之上，而且不会回归到最开始的状态的，这是由于熵增原理导致的结果，系统会趋向于无序而不是有序，所以会几乎均匀的分布于屏幕之内。

总之，感谢大家的阅读以及支持了啦。

谢谢大家提出建议或者意见，敬请期待各位大佬的指正。

后续还会继续推出Pygame的学习笔记，希望大家敬请期待。