Deeltjesdynamica

Deeltjesdynamica is de tak van de natuurkunde die de beweging van individuele deeltjes of systemen van vele deeltjes beschrijft onder invloed van krachten. In de klassieke mechanica gebeurt dit doorgaans met Newtons wetten; in bredere termen kan men ook gebruikmaken van de Hamilton- en Lagrangeformuleringen die de evolutie van posities en momenta beschrijven.

Voor een systeem van N deeltjes worden de bewegingen bepaald door een set gekoppelde tweede-orde differentiaalvergelijkingen die afhangen van onderlinge interacties en externe krachten. Het geheel kan worden beschreven in een fasedomein met posities en momenta; sommige systemen zijn integrabel en vertonen regelmatige beweging, andere vertonen chaos en gevoeligheid voor beginvoorwaarden.

In de wetenschap is deeltjesdynamica sterk afhankelijk van computationele methoden. Analytische oplossingen bestaan alleen voor eenvoudige gevallen; bij complexe systemen worden numerieke benaderingen toegepast, zoals moleculaire dynamica (MD) simulaties, Langevin- en Brownse dynamica, en Monte Carlo-technieken. Tijdintegrators zoals Verlet en zijn varianten (velocity-Verlet, symplectische integrators) leveren stabiele evoluties van posities en snelheden.

Toepassingen bestrijken onder meer materiaalwetenschappen, chemische en biochemische systemen, vloeistoffen en colloïden, plasma- en astrofysica, en gravitatieve N-body-problemen.

Een belangrijk onderscheid is dat deeltjesdynamica zowel deterministische bewegingen van individuele deeltjes als statistische beschrijvingen van ensembles omvat. Moleculaire dynamica is een gangbare numerieke implementatie gericht op moleculaire systemen, maar deeltjesdynamica is een bredere term die ook theoretische benaderingen en andere toepassingsgebieden omvat.