مدل ریاضی دانه های برف

مدل ریاضی دانه های برف

امروزه دانه‌های سه‌بعدی برف می‌توانند با استفاده از برنامه‌ای -که توسط ریاضیدانان در دانشگاه « دیویس کالیفورنیا» (UC Davis) و دانشگاه «وسیکانسین- مادیسون» (Wisconsin- Madison) رشد پیدا کنند- در یک کامپیوتر ساخته می‌شوند.

به‌گزارش سایت دانشگاه «دیویس کالیفورنیا» (UCDavis)، «جانکو گراونر» (Janko Gravner) پرفسور ریاضیدان دانشگاه «دیویس کالیفورنیا» (UCDavis) می‌گوید: هیچ دو دانه‌ی برفی همانند هم نیستند اما ممکن است خیلی شبیه همدیگر باشند. این‌که چرا خیلی با هم فرق نمی‌کنند، یک معما است. مدلی که بتواند آن‌ها را پردازش کند، ممکن است بتواند بعضی از این سؤال‌ها را جواب بدهد.

پیچیده، به‌طور باور نکردنی تغییرپذیر و زیبا! دانه‌های برف حداقل از سال ۱۶۱۱ میلادی تا الان، معمایی پیچیده‌ای برای ریاضیدانان بوده است؛ وقتی که «جوهاناز کپلر» (Johannes Kepler) پیش‌بینی کرد که ساختمان شش گوش می‌تواند اساس یک ساختمان کریستالی باشد.

دانه‌های برف از بخار آب اطراف بعضی انواع هسته‌ها مثل ذره‌ای از گرد وغبار رشد می‌کنند. سطح کریستال درحال رشد پیچیده و نیمه مایع است که در آن مولکول‌های آب از بخارهای محیط می‌توانند جذب یا جدا شوند. مولکول‌های آب بیش‌تر در بخش تقعر کریستال‌ها جذب می‌شوند.

این مدل توسط «گراونر» (Gravner) و «دیوید گریفیت» (David Griffeath) از دانشگاه «ویسکانسین مادیسون» (Wisconsin- Madison) ساخته شده است و از فاکتورهای زیر در این مدل استفاده کرده‌اند:

با اجرای این مدل در شرایط مختلف، محققان قادرند دامنه‌ی گسترده‌ای از شکل‌های دانه‌های برف طبیعی را بسازند.در تلاش برای مدل‌سازی برای همه‌ی مولکول‌های آب، فضا به المان‌های سه‌بعدی به‌اندازه‌ی یک میکرومتر تقسیم شدند. این برنامه در طول حدود ۲۴ ساعت یک دانه‌ی برف را در یک کامپیوتر رومیزی پیشرفته تولید می‌کند.

همانند دنیای واقعی، بخش‌های سوزنی‌شکل‌ بیش‌ترین کاربرد را در طرح دانه‌ها‌ی برف‌سازی توسط کامپیوتر دارد. این در حالی است که دانه‌های برف شش‌گوش کلاسیک یا «درختی» (Dendritic) یا دانه‌های برف «پر» مانند، هم در طبیعت و هم در شبیه‌سازی کامپیوتر کم‌تر بوده و استفاده شده‌اند.

«گراونر» (Gravner) و «گریفیت» (Griffeath) می‌خواهند چندین دانه‌ی برف جدید را طراحی کنند. یکی از این طرح‌ها، به‌شکل پروانه است که شبیه سه پروانه است که از جلو به‌هم چسبیده‌اند. «گراونر» (Gravner) می‌گوید: به‌نظر می‌رسد دلیلی ندارد که چنین طرح‌هایی در طبیعت ظاهر نشوند اما در عین حال بسیار شکننده و بی‌دوام هستند.

تعجب‌‌آور آن‌که ساختار سه‌بعدی همراه با ساختارهای پیچیده‌ای که اغلب بین دو صفحه به‌وجود می‌آیند از اهمیت بالایی برخوردارند. این مسأله را هنگام مشاهده‌ی دانه‌ی برف واقعی به‌سختی می‌توان رؤیت کرد اما با استفاده از میکروسکوپ الکترونی در مطلعه‌های دقیق از دانه‌های برف واقعی می‌توان مشاهده کرد.