Python可视化物理随机过程---pygame学习笔记2

ゝ一纸荒年。 2021-09-07 22:12 226阅读 0赞

## 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：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L20wXzU0MjE4MjYz_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]

第二个随机现象：  
粒子的随机运动过程：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L20wXzU0MjE4MjYz_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1]

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][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：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L20wXzU0MjE4MjYz_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 2]

图片2、  
框框存在时的装态：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L20wXzU0MjE4MjYz_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 3]  
图片3、  
去掉框框以后不久的装态：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L20wXzU0MjE4MjYz_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 4]

图片4、  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L20wXzU0MjE4MjYz_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 5]  
图片5、  
较长时间以后的状态：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L20wXzU0MjE4MjYz_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 6]  
图片6、  
较长时间以后的状态：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L20wXzU0MjE4MjYz_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 7]  
图片7、  
较长时间以后的状态：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L20wXzU0MjE4MjYz_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 8]

## 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。

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[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L20wXzU0MjE4MjYz_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 7]: /images/20210813/508361c3b31741f2856faaad7bea75eb.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L20wXzU0MjE4MjYz_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 8]: /images/20210813/de1b14d3627a4934bc0f469e17c459c1.png