Skip
Cأكاديمية CADD

L3 · 22 دقيقة

المشتقات والتدرجات

F = −∇V.

الرياضياتالميكانيكا الجزيئية

أهداف التعلّم

  • تفسير F = −∇V كجسر بين سطح الطاقة وحركة الذرات في MD.
  • معرفة أن خطأ التدرج (قطع، شحنات، قيود) يُنتج قوة خاطئة حتى لو بدت V معقولة.

القوة انحدار الطاقة

إن كانت طاقة الوضع V دالة لإحداثيات الذرات، فالقوة على كل إحداثي هي ناقص المشتق الجزئي. النظام ينزل مع التدرج في minimization، ويتسارع مع القوة في MD. إن كانت V غير قابلة للاشتقاق (قطع حاد لجهد)، تظهر قوى وهمية. PME وswitching وقيود LINCS كلها قرارات حول كيف يُحسب هذا التدرج.

القوة من الجهد

F=−∇V\mathbf{F} = -\nabla V

اتجاه القوة نحو تناقص V. المقدار أحَدّ حيث يتغير V بسرعة (تداخل vdW، رابطة مشدودة).

  • Fمتجه القوة على درجات الحرية
  • Vطاقة الوضع (force field)
  • ∇متجه المشتقات الجزئية

إشارة الناقص ليست تجميلاً: بلاها تتسارع الذرات نحو التلال وتنفجر المحاكاة.

تطبيق في التصميم الدوائي: إذا رأيت انفجاراً في أول بيكوثوان، ابحث عن تداخل يُنتج ∇V هائلاً (ذرة في ذرة، شحنة سيئة، وحدات مختلطة).

لماذا؟ — لماذا قد تكون الطاقة منخفضة والديناميكا خاطئة؟

V عدد؛ الحركة تحتاج مشتقاتها. قطع coulomb بلا smoothing يُغيّر القوة أكثر مما يُظهر في V. كذلك قيود هيدروجين تُزيل درجات حرية من التدرج.

ماذا لو؟ — ماذا لو استخدمتَ خطوة MD كبيرة لأن «V تبدو ناعمة» على امتداد رابطة؟

اهتزازات الهيدروجين ليست ناعمة على مقياس 5 fs في حقول ذرية نمطية. المكامل سيُخطئ في FΔt وتنهار حفظ الطاقة. القيود أو 1 fs ليست وسواساً.

تمرين

في بُعد واحد V = (1/2) k (x−x0)²، ما F؟ في أي اتجاه تتحرك الكتلة إذا x > x0؟

مواضيع مرتبطة