Modelagem computacional

Modelagem computacional é uma área de conhecimento multidisciplinar que trata da aplicação de modelos matemáticos e técnicas da computação à análise, compreensão e estudo da fenomenologia de problemas complexos em áreas tão abrangentes quanto as engenharias, ciências exatas, biológicas, humanas, economia e ciências ambientais.
Abrangência e interfacesA área que aqui conceituamos, é também denominada como simulação computacional científica e mecânica computacional. Trata-se de área que engloba o conjunto de conhecimentos relacionados aos métodos numéricos que envolvem os procedimentos de análise e solução de problemas complexos relacionados à Mecânica do Contínuo, às Ciências Exatas e às Ciências Naturais e Ciências do Meio Ambiente, a Fenômenos Biológicos, e à Mecânica Orgânica. Diz respeito ao estudo de áreas diversas, particularmente a Mecânica dos Sólidos e a Mecânica dos Fluidos, a Biofísica e Biomecânica, a Sistemas Ecológicos e Populacionais. Seu campo de aplicação, e escalas de observação, abrange as escalas espacial e do tempo, transientes e estacionários. A modelagem computacional, destina-se à solução de problemas complexos regidos por equações diferenciais ordinárias e equações diferenciais parciais, e a problemas de valores iniciais e de problemas de valores de contorno.

[editar] Origem e aplicaçõesReunindo um grupo de conhecimentos originados na Mecânica Clássica e na Engenharia Mecânica, passou a superá-las, e tem sido utilizado no meio acadêmico e técnico, denominando o conjunto de conhecimentos fortemente associados ao emprego de computadores na solução de problemas científicos e particularmente métodos numéricos, tais como:

1.nas Engenharias, em Ciências Tecnológicas, e nas Ciências Exatas: abrangendo a mecânica do contínuo, mecânica dos sólidos, mecânica dos fluidos, mecânica das estruturas, nanotecnologia e nanofísica, mecânica dos solos e fundações, mecânica da fratura, teoria da elasticidade, teoria das estruturas e resistência dos materiais, aspectos de teoria de projetos e projeto auxiliado por computador, engenharia assistida por computador, plasticidade e viscoelasticidade, escoamento de fluidos, escoamento e mecânica dos meios porosos, otimização e programação linear, métodos variacionais e métodos numéricos, algoritmos genéticos, computação paralela e computação distribuída, visualização científica, modelagem molecular, teoria do caos, e a álgebra em suas diversas teorias, dentre outras aplicações.
2.em Ciências Ambientais: em ecologia computacional, em modelagem de ecossistemas e biomas, na simulação e modelagem de trocas de massa e energia entre populações, destas para o meio ambiente, e entre ecossistemas, no desenvolvimento de métodos numéricos de solução de sistemas de EDOs e EDPs, estudos de impacto de desmatamento de mata nativa, das alterações ambientais decorrentes, simulação e projeção temporal. Modelos de implantação de indústrias, e simulação de impacto ambiental determinada pela implantação de sistemas de produção. Simulação, análise, modelagem e projeção temporal e espacial do fluxo das substâncias ou materiais envolvidos nas emissões industriais e no transporte destas no ambiente, das taxas de acumulação nas áreas de influência e projeção dos efeitos sobre as populações afetadas
3.em Ciências Biológicas e da Saúde: abrangendo a genômica e a proteômica computacionais, simulação de ação de proteínas e de seqüências de códigos genético, visualização espacial de seqüências genéticas, modelagem espacial de proteínas, modelagem estrutural de vírus e bactérias, análise de movimentos de seres microscópicos, modelagem hemodinâmica, de sistemas orgânicos, da ação farmacológica e da simulação virtual de drogas terapêuticas ou curativas. Modelos computacionais odontológicos, protéticos e de implantes. Modelagem de sistemas orgânicos biofísicos, biomecânicos e celulares.
Deve ser observado, também, que não se trata de área da Ciência da Computação, ainda que com esta inter-relacionada, e sim da possibilidade de aplicação de conceitos e idéias abrangendo as etapas de análise e compreensão do fenômeno sob estudo, estabelecimento de sistema de equações adequado a simulação do fenômeno em questão, desenvolvimento de softwares adequados à solução do problema científicos abordado, e aplicação à estudo teórico ou prático, compreendendo análise crítica dos resultados e calibração do modelo desenvolvido.

[editar] Métodos e técnicasAlguns dos métodos estudados na modelagem computacional com direcionamento à solução de problemas típicos das engenharias, das ciências exatas, biológicas e ambientais, são: Métodos dos Elementos Finitos, Métodos dos Elementos de Contorno, Método dos Volumes Finitos, Métodos das Diferenças Finitas, Método Integral e Variacional, Métodos Autoadaptativos, computação distribuída, Redes e Grids Computacionais, Computação Vetorial e Paralela Aplicada, Pré e Pós-processamento Gráfico e Otimização, Sistemas de Orientação Espacial, Modelagem do Espaço Humano, Simulação Computacional, realidade virtual e Protótipos Computacionais.

A modelagem computacional utiliza um conjunto de métodos, ferramentas e formulações direcionadas à solução de problemas complexos, envolvendo grande número de variáveis, volumosa massa de dados, processamento e manipulação de imagens. Desenvolvimento de modelos matemáticos e de métodos numéricos, bem como discretização e tratamento de meios contínuos estão no seu campo de abrangência.

A Modelagem Científica Computacional aplica então a computação a outras áreas do conhecimento. Ela permite que se criem modelos computacionais para situações em que é impossível ou muito caro testar ou medir as diversas soluções possíveis para um fenômeno a partir de modelos experimentais ou por solução analítica. Viabiliza a adoção de abordagem computacional, avançando além das limitações, completando e integrando-se a estas outras abordagens e muitas vezes sendo a única opção, à abordagem experimental e à analítica.

Por modelagem científica concebe-se não só a modelagem relacionada ao desenvolvimento de métodos numéricos e variacionais, como também à compreensão e desenvolvimento de modelos associados à fenomenologia física dos problemas complexos, aplicação de modelos já desenvolvidos, simulação, previsão e projeções temporais e espaciais do desenvolvimento de soluções para aqueles problemas.

[editar] Limitações em ciência cognitiva[2]Podem surgir problemas quando se simula processos cognitivos, por causa das limitações do computador. Foi sugerido por Palmer e Kimchi que se pode especificar uma teoria sucessivamente com mais detalhe até chegar ao ponto de ser possível escrever um programa de computador e que deve ser possível também de separar a partir de que ponto é que a implementação é dependente da linguagem de programação e máquina, em vez de ser depender do cérebro. É que o programa vai ter sempre aspectos que não estão relacionados com a teoria psicológica, mas que a tecnologia disponível impõe ao pesquisador. Um exemplo são as funcionalidades que são incluídas no programa para saber qual é o seu estado interno a determinada altura enquanto corre, e que, obviamente, não estão relacionadas com o funcionamento do cérebro.

O desempenho também pode ser problemático, porque também é limitado com a tecnologia disponível, sendo impossível comparar directamente as velocidades de respostas de ambos máquina e cérebro, embora possa haver uma relação de proporcionalidade entre os dois, ou no mínimo o produto de ambos deve estar bastante próximo.

[editar] Ver tambémEPETO
Modelos físicos
Modelo
IPRJ - Instituto Politécnico da UERJ que oferece doutorado pioneiro em Modelagem Computacional
Hidráulica
Engenharia Hidráulica
Sedimentos
Sedimentologia
Hans Albert Einstein
Mecânica dos fluidos
[editar] Referências