多面体法计算小天体重力场的完整python代码实例

时间: 2023-07-25 15:05:22 浏览: 63
以下是一个计算小天体重力场的多面体法的 Python 代码示例: ```python import numpy as np # 定义一个表示三维向量的类 class Vector3D: def __init__(self, x=0, y=0, z=0): self.x = x self.y = y self.z = z def __add__(self, other): return Vector3D(self.x + other.x, self.y + other.y, self.z + other.z) def __sub__(self, other): return Vector3D(self.x - other.x, self.y - other.y, self.z - other.z) def __mul__(self, other): return Vector3D(self.x * other, self.y * other, self.z * other) def cross(self, other): return Vector3D(self.y * other.z - self.z * other.y, self.z * other.x - self.x * other.z, self.x * other.y - self.y * other.x) def dot(self, other): return self.x * other.x + self.y * other.y + self.z * other.z def norm(self): return np.sqrt(self.x**2 + self.y**2 + self.z**2) # 定义小天体多面体的类 class Polyhedron: def __init__(self, vertices, faces): self.vertices = vertices self.faces = faces # 计算每个面的法向量 def compute_face_normals(self): face_normals = [] for face in self.faces: v1 = self.vertices[face[0]] v2 = self.vertices[face[1]] v3 = self.vertices[face[2]] e1 = v2 - v1 e2 = v3 - v2 normal = e1.cross(e2) face_normals.append(normal) self.face_normals = face_normals # 计算每个面的面积和中心点 def compute_face_areas_and_centers(self): face_areas = [] face_centers = [] for face in self.faces: v1 = self.vertices[face[0]] v2 = self.vertices[face[1]] v3 = self.vertices[face[2]] e1 = v2 - v1 e2 = v3 - v2 normal = e1.cross(e2) area = normal.norm() / 2 center = (v1 + v2 + v3) * (1/3) face_areas.append(area) face_centers.append(center) self.face_areas = face_areas self.face_centers = face_centers # 计算小天体的质心 def compute_centroid(self): total_area = sum(self.face_areas) centroid = Vector3D() for i, face_center in enumerate(self.face_centers): centroid = centroid + face_center * self.face_areas[i] / total_area self.centroid = centroid # 计算小天体的惯性矩阵 def compute_inertia_tensor(self): Ixx = 0 Iyy = 0 Izz = 0 Ixy = 0 Ixz = 0 Iyz = 0 for i, face_center in enumerate(self.face_centers): v1 = self.vertices[self.faces[i][0]] v2 = self.vertices[self.faces[i][1]] v3 = self.vertices[self.faces[i][2]] e1 = v2 - v1 e2 = v3 - v2 normal = e1.cross(e2) area = self.face_areas[i] r = face_center - self.centroid Ixx += (r.y**2 + r.z**2) * area Iyy += (r.x**2 + r.z**2) * area Izz += (r.x**2 + r.y**2) * area Ixy -= r.x * r.y * area Ixz -= r.x * r.z * area Iyz -= r.y * r.z * area self.inertia_tensor = np.array([[Ixx, Ixy, Ixz], [Ixy, Iyy, Iyz], [Ixz, Iyz, Izz]]) # 计算小天体在某一点的重力加速度 def compute_gravity_acceleration(self, point, G, M): acceleration = Vector3D() for i, face_center in enumerate(self.face_centers): v1 = self.vertices[self.faces[i][0]] v2 = self.vertices[self.faces[i][1]] v3 = self.vertices[self.faces[i][2]] e1 = v2 - v1 e2 = v3 - v2 normal = e1.cross(e2) area = self.face_areas[i] r = face_center - point distance = r.norm() direction = r * (1/distance) gravity = G * M * normal * area / distance**2 acceleration = acceleration + gravity return acceleration # 小天体的顶点坐标和面信息 vertices = [ Vector3D(1, 0, 0), Vector3D(0, 1, 0), Vector3D(-1, 0, 0), Vector3D(0, -1, 0), Vector3D(0, 0, 1), Vector3D(0, 0, -1) ] faces = [ [0, 1, 4], [1, 2, 4], [2, 3, 4], [3, 0, 4], [1, 0, 5], [2, 1, 5], [3, 2, 5], [0, 3, 5] ] # 创建小天体对象并计算重力场 polyhedron = Polyhedron(vertices, faces) polyhedron.compute_face_normals() polyhedron.compute_face_areas_and_centers() polyhedron.compute_centroid() polyhedron.compute_inertia_tensor() G = 6.67430e-11 # 万有引力常量 M = 1e12 # 小天体质量 position = Vector3D(1000, 2000, 3000) # 计算重力场的点的位置 acceleration = polyhedron.compute_gravity_acceleration(position, G, M) print("重力加速度:", acceleration.x, acceleration.y, acceleration.z) ``` 此代码使用了多面体法来近似计算小天体的重力场。首先定义了一个表示三维向量的类和一个表示小天体多面体的类,然后在多面体类中实现了计算每个面的法向量、面积、中心点、质心和惯性矩阵的方法,以及计算小天体在某一点的重力加速度的方法。在代码的最后,我们使用一个简单的小天体模型来测试重力场的计算。

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