SZOPALAB

Programy do symulacji dzielą się z grubsza na dwie grupy. Pierwsza to narzędzia zawodowe — dokładne, drogie i zamknięte w jednej dziedzinie: osobno mechanika, osobno obwody, osobno termika. Druga to aplikacje edukacyjne, które ładnie animują zjawisko, ale wartości na ekranie bywają wpisane na sztywno albo policzone wzorem zamkniętym dla jednego przypadku.

W warsztacie potrzeba czegoś pomiędzy: żeby dało się postawić silnik prądu stałego, obciążyć go mechanicznie, zobaczyć jak rośnie prąd i jak grzeje się uzwojenie — w jednym modelu, bo to jest jedno zjawisko, tylko opisywane trzema językami.

Zbudować środowisko, w którym domeny fizyki są równorzędnymi obywatelami i liczą się wspólnie w każdym kroku czasowym. Do tego jedna twarda zasada, przyjęta na starcie i pilnowana w kodzie: każda wielkość pokazana w interfejsie pochodzi z solvera, przez wspólną szynę danych. Funkcja niezaimplementowana ma pokazywać jawny stan „NOT IMPLEMENTED", a nie zero albo prawdopodobnie wyglądającą liczbę.

To brzmi jak drobiazg, a jest kluczową decyzją projektową: uniemożliwia powstanie ładnego demonstratora, który rozjeżdża się z fizyką dopiero wtedy, gdy ktoś zacznie mu ufać.

Interfejs stoi na PySide6, ale — i to jest druga zasada — model nie zna widoku. Pakiety opisujące fizykę, scenę, solvery i jednostki są czystym Pythonem i nie importują niczego z Qt. Dzięki temu całość da się testować bez okna i przenieść w przyszłości do trójwymiaru albo do C++.

Mechanikę dwuwymiarową liczy pymunk schowany za warstwą abstrakcji, żeby backend dało się wymienić. Elektryka to własny solver oparty na zmodyfikowanej analizie węzłowej, obsługujący prąd stały i stany nieustalone w obwodach RC, RL i RLC, diodę oraz przekaźniki zabezpieczające. Termika jest siecią węzłów cieplnych, hydraulika operuje parą ciśnienie–przepływ z transportem ciepła przy mieszaniu.

Komponenty łączy się przez porty, a połączenie powstaje wyłącznie między portami zgodnego typu — walidacja działa w momencie rysowania przewodu, więc nie da się upuścić kabla elektrycznego na przyłącze hydrauliczne.

Scena zapisuje się do formatu .szl, czyli kontenera ZIP z wersją schematu i migracjami — starsze pliki otwierają się w nowszych wersjach programu.

Sprzężenia międzydomenowe są tym, po co całość powstała. Silnik prądu stałego jest tu przypadkiem wzorcowym: obwód elektryczny wymusza moment, moment napędza mechanikę, straty w rezystancji uzwojenia trafiają do sieci cieplnej i podnoszą temperaturę, która z powrotem zmienia rezystancję.

Doszła automatyka: bloki funkcyjne, regulator PID z zabezpieczeniem przed nasyceniem członu całkującego, czujniki. Potem sterownik PLC jako szósta domena w schedulerze — logika drabinkowa realnie steruje grzałką w laboratorium termostatu, a nie tylko rysuje styki.

Osobna warstwa to eksperymenty: przemiatanie parametrów, porównania A/B i optymalizacja, do tego bilans energii, wizualizacja pól, oś czasu, notatnik i raporty PDF. Lokalna AI przez Ollamę potrafi przeanalizować scenę, zbudować ją z opisu i zaplanować eksperyment — bez wysyłania czegokolwiek na zewnątrz.

Poprawność sprawdzają przypadki referencyjne porównywane z rozwiązaniami analitycznymi, każdy z zapisaną tolerancją: spadek swobodny, wahadło, oscylator Hooke'a i tłumiony, toczenie po równi, zderzenie sprężyste, zachowanie energii, ładowanie RC, narastanie prądu w RL.

Sprawdzian wykonany na potrzeby tego opisu: szeregowy obwód RLC pobudzony skokiem 10 V, przy rezystancji 20 Ω, indukcyjności 0,1 H i pojemności 100 µF, policzony ich solverem krokiem 20 µs przez 3001 kroków. Przebieg porównany z rozwiązaniem analitycznym dla przypadku niedotłumionego.

Największa różnica między symulacją a wzorem wyniosła 38,5 mV przy amplitudzie 10 V, czyli poniżej czterech dziesiątych procenta. Przeregulowanie wyszło 13,473 V wobec 13,509 V wynikających z teorii. Na wykresie obie krzywe leżą na sobie — widoczna jest dopiero różnica narysowana we wzmocnionej skali.

W zestawie jest ponad dwadzieścia gotowych laboratoriów: wahadło pojedyncze i podwójne, zawieszenie pojazdu, przekładnia, silnik prądu stałego, pojazd elektryczny, obwody RC i RLC, grzałka, podgrzewanie wody, termostat, zbiornik, pompa z zaworem. Całość pakuje się do samodzielnego pliku wykonywalnego, działającego bez instalacji Pythona.