Simulace mechaniky snadno a intuitivně s programem Step

Step (domovský web) je součástí vzdělávacího balíčku grafického prostředí KDE. Je vytvořen v C++ a jeho původním autorem byl Vladimir Kuznetsov. Aplikace je šířená pod licencí GNU GPL, takže s jejím využitím ve školním prostředí není žádná potíž. Step je součástí většiny repozitářů nejrozšířenějších linuxových distribucí, takže s jeho instalací by neměl být žádný zásadní problém.

Pravdou je, že aplikace není právě nejstabilnějších a proto se vyplatí časté a pravidelné ukládání již rozmodelovaných scén. Jak již zařazení balíčku do vzdělávacího balíčku napovídá, aplikace je především určena pro vzdělání. Pro modelovaní či simulaci reálných dějů se již hodí podstatně méně. Na druhou stranu pokud si potřebujte udělat představu o tom, jak bude nějaká aproximace fungovat v praxi, není nic snazšího, než si ji ve Step namodelovat.

K ovládání aplikace nejsou potřeba žádné zvláštní vědomosti či dovednosti. Vše probíhá poměrně intuitivně a relativně jednoduše. Obejít se tak lze bez znalosti programování. Program usiluje o maximální názornost, a proto je vhodný jak pro demonstrační ukázky či modelování pro vlastní potřebu, ale je možné jej užít jako nástroj pro výuku fyziky pro studenty. Ti si mohou již vytvořené scény snadno sami upravovat (přidáváním částic či změnou jejich parametrů) a tak získat vlastní intuitivní zkušenost s tím, jak dané fyzikální procesy vlastně fungují.

Základní oblast zájmu aplikace je mechanika, ale není problém (na gymnasiální úrovni) v něm simulovat i děje termodynamické, elektrostatiku a další oblasti, u kterých je vhodné se přidržet newtonovsky pojatých částicových modelů.

Ovládání

Základním místem dění je plocha, na níž jsou naznačeny dvě osy. V této ploše je realizovaná celá simulace. Sem lze umísťovat jednotlivé objekty, nastavovat jejich rychlosti, síly, které na ně působí i omezení jejich pohybu. S objekty pak lze svévolně manipulovat pomocí intuitivní metody táhni a pusť.

Pokud jde o prvky, které lze na plochu umístit, pak se jedná především o částici (hmotný bod), nabitou částici, disk, n-úhelník a obdélník. Těmto objektům je možné pak přiřazovat vlastnosti jako je rychlost, hmotnost, kinetická energie (ty jsou spolu provázány), ale také moment síly, rozměr, barvu, moment setrvačnosti, zrychlení atp. Lze také nastavit, aby se daný objekt choval pružně či jako plynové těleso.

Mimo tyto prvky lze do scény zařadit také síly – gravitační, elektrostatickou a tíhovou. K tomu, aby bylo možné snadno modelovat děje pak slouží také „pomocné prvky“, kterými lze s objekty pracovat. Jedná se o pružinku, ukotvení k nějakému místu či objektu a o tyč, která spojí dva prvky. Mimo to je možné objektům přiřadit také „motor“, jak lineární, tak takový, který je bude nutit k pohybu po kružnici. Toto nastavení je docela jednoduché a zvláště pro základní školní potřeby velice dobře dostačuje.

Pro větší názornost je možné k objektům přidat i doplňující informační prvky, jako je nástroj na vykreslování grafů, metr, poznámky nebo ovladače. Simulacím je možné nastavit různou rychlost, takže demonstrace experimentů může být názorná.

Jednotlivé vlastnosti lze pomocí levého menu snadno editovat. K jednotlivým prvkům by měla být k dispozici i kontextová nápověda, která ale v Ubuntu nefungovala. Dobře je vyřešen panel s historií, který umožňuje uchovat si dobrý přehled o tom, jak byla scéna vystavěna a kde může být případná chyba. Za zmínku jistě stojí také správce objektů, který je také řešen docela jednoduše, ale velice přehledně, vychází přitom z myšlenky, že scény nebudou nikterak zásadně obrovské.

Závěrem

Step nabízí jednoduché prostředí na realizaci nejrůznějších fyzikálních experimentů, bez hlubších znalostí či delšího studia. Je pravdou, že pokud budete chtít vytvářet složitější modely, než jen srážky částic či matematické kyvadlo, budete muset zřejmě chvíli promýšlet, jak na to. Ona intuitivní jednoduchost totiž u komplexnějších aplikací poměrně překáží. Velkou nevýhodou je zmíněná nevalná stabilita aplikace, která činí spolehlivost experimentů často velmi vratkou.

       

Další nevýhodou je poměrně malá variabilita nastavení, takže možnosti přizpůsobit si aplikaci vlastním potřebám jsou zcela minimální. Na druhou stranu se vzhledem k licenci jedná o aplikaci, kterou může programátor snadno upravit a doladit podle svým představ a potřeb. Jako perspektivní (avšak doposud téměř nevyužitá) se jeví možnost automatického stahování příkladů přímo z programu nebo práce s tutoriály. Absence kvalitních tutoriálů bude jistě jednou z překážek pro rozšíření ve školním prostředí.

Mezi nesporná pozitiva patří nepochybně velké množství příkladů, které má uživatel k dispozici. Pro mnoho učitelů se jistě vyplatí se probrat jen jimi a předvést to, co je potřebné. Step si bez potíží poradí se simulacemi mechanickými, elektrostatickými i termodynamickými na úrovni gymnaziální a částečně i univerzitní. Přes všechny zmíněné nedostatky je Step aplikace velice zajímavá a kvalitní a jistě stojí za vyzkoušení a další vývoj.