Manimkurs Tag 1

Tag 1

Konzeption mathematischer und physikalischer Animation mit "manim"

Jan-Hendrik Müller
05.9.2022

### Mein Hintergrund
* Physikstudium in Göttingen und Groningen mit Spezialisierung auf medizinische Physik.

* Zur Zeit:  Projektarbeit "Phänomene der Medizinphysik visuell begreifbar machen." an einer Ideenwerkstatt für Wissenschaftsjournalismus. (MIP Labor)
	* Einführende Videos zu Röntgen CT, MRT, Strahlentherapie & mehr.
* Entwicklung von "manim"
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### Das Tool Manim
* **Manim** = **Ma**thematische **Anim**ationen
* Koppelt mathematische Formeln intuitiv an Farben und Konturen.
* Kostenlose Open Source Software
* Python Code-generierte Animationen
* sehr gute Anbindung an physikalische und mathematische
	Python Pakete

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Transformation
<video data-autoplay width="100%" src="assets/transform.mp4">

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Dopplereffekt
<video data-autoplay width="100%" src="assets/Doppler.mp4">
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Brownian Motion
<video data-autoplay width="100%" src="assets/BrownianMotion.mp4">

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Vektorfeld

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Logarithmus

Made by [@Photon_Sphere](https://twitter.com/Photon_Sphere)

</div>
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Doppelpendel

Made by [@Sam Maksimovich](https://www.youtube.com/watch?v=n7JK4Ht8k8M)

</div>
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Tomographische Rückprojektion
<div style="font-size: 20px;">

`$$ f(x,y) = \frac{1}{2} \int_{0}^{2 \pi}   \mathcal{F}_1^{-1} \big\{ P(\omega, \phi) \cdot \orange{|\omega|} \big\} \,  d\phi $$`

</div>
<video  width="100%" src="assets/FilteredBP.mp4" controls>
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Konvergenz

Made by [@EricESeverson](https://twitter.com/EricESeverson/status/1413208434523009024?s=20&t=9Pp-KhqjeUaJdtsG5LPCcg
)

</div>

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Lissajous

Made by [@PRAGYAAN](https://www.youtube.com/watch?v=kQ7A_bO0Efo)

</div>
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Schwarzraumstrahlung
<video data-autoplay width="100%" src="assets/BlackBody.mp4">
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Carnot-Prozess (später im Detail)
<video data-autoplay width="100%" src="assets/CarnotCycle.mp4">

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<div style="font-size: 20px;">

### Organisatorisches

* Arbeitsaufwand: 3 Credits

* Anrechnung?

* Für Master of Education - M.Edu.102.2: Fächerübergreifende fachwissenschaftliche, fachdidaktische und/oder bildungswissenschaftliche Vertiefung 2

* Für Bachelorstudierende - B.Erz.917.Mp: Medienbildung

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### Kursplan

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### Design Einführung von Marlene Knoche

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### Prüfungsleistung

* Kurze Animation (zwischen 5 und 60 Sekunden) zu eigenem Thema
* Animation wird als mp4 format abgegeben, zusammen mit dem generierenden Jupyter Notebook, das als PDF exportiert wird.
	* Beschreiben, welches physikalische Phänomen behandelt wird.
	* Wichtige Codezeilen mit Kommentaren versehen.
* Jeder gibt ein eigenes Notebook ab.

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### Weiteres

* Alle Projekte werden im GitLab Intern zur Verfügung gestellt.
* Möglichkeit zur Veröffentlichung auf dem Twitter Account Pheyelab Uni Göttingen

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### Lernziel

* eigenständiges Erstellen und Konzipieren physikalischer (bzw. mathematischer) Animationen

* Den Code von schon existierenden Animationen für eigene Anwendungsfälle anpassen

* Erlernen bzw. Erweitern grundlegender Python Kenntnisse

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### Einsatzgebiete

* das Erstellen wissenschaftlicher Animationen für Vorträge

* das Konzipieren von Unterrichtsmaterialien für den Schulunterricht bzw. für Übungsgruppen an der Universität

* das Kreieren von Physik-Animationen für Social Media (z.B. "Physik im Advent")

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### Wann ist manim geeignet?
* Für sehr präzise Animationen
* Iteration über Objekte
* Zufallsparameter generieren
* Anbindung an schon in Python implementierte Physik/Mathe Module

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### Wann ist manim nicht geeignet?
* interaktiv ❌ 
* 3 D Grafiken ❌ 
* Langsam für > 1000 Objekte
	* Keine Fluid Simulation ❌
* Für simple Animationen (z.B. FadeIn, FadeOut) ist z.B. PowerPoint besser geeignet 
* Berechnung bis jetzt nur auf CPU (noch nicht GPU) 
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### Kurze Geschichte

* Manim wurde 2015 angefangen von Grant Sanderson zu entwickeln, als persönliches Projekt für seinen Mathe YouTube Kanal [3blue1brown](https://youtube.com/3blue1brown).

* Basierend auf seinem Code hat sich im Mai 2020 die Community [ManimCommunity](https://github.com/ManimCommunity/manim) gegründet, mit dem Ziel manim zu dokumentieren und stetig zu verbessern.  
* Zur Zeit gibt es 26 ehrenamtliche Core-Maintainer welche halbjährlich ein Steering Council (Lenkungsgremium) mit 3 Mitgliedern wählen.
* Bis Heute (19.5.22) wurden 1566 Beiträge zur Codeverbesserung von 304 Mitwirkenden auf [GitHub](https://github.com/ManimCommunity/manim) eingepflegt. 
</div>

Statistik

Tägliche Besuche der Dokumentationsseite: ca. 7.000
Über 12.000 monatliche Downloads
Über 10.000 ⭐️ on GitHub

### Bauen von Szenen

<img src="assets/mobjects.png">
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### Mathematical Object Gallery
<iframe width="100%" height="500" style="border:3px solid black;" src="https://kolibril13.github.io/mobject-gallery/" title="description"></iframe>

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###  Erstes Beispiel

```py
%%manim -qm CircleToSquare

class CircleToSquare(Scene):
	def construct(self):
		blue_circle = Circle(color=BLUE, fill_opacity=0.5)
		green_square = Square(color=GREEN, fill_opacity=0.8)
		self.play(Create(blue_circle))
		self.wait()
		
		self.play(Transform(blue_circle, green_square))
		self.wait()
```
<video width="50%" src="assets/CircleToSquare.mp4" controls>

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### Erste Animation

```py
%%manim -qh Example

class Example(Scene):
	def construct(self):
		dot = Dot(color= YELLOW, radius=0.5)
		self.play(dot.animate.shift(3*RIGHT).scale(2).set_color(BLUE))
```
<video width="50%" src="assets/ExampleAni.mp4" controls>

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### Alignment

Nebeneinander Positionieren, Rotieren,Spiegeln, Färben etc.

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Carnot-Prozess - Schritt für Schritt
<video data-autoplay width="100%" src="assets/CarnotCycle.mp4">
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## Carnot-Prozess

* Temperatur
* Volumen 
* Konstanten

```py
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from scipy.constants import zero_Celsius

Tmax = zero_Celsius + 300
Tmin = zero_Celsius + 20
R = 8.314
kappa = 5/3
V1 = 1
V2 = 2
```
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## Isotherm

`$$  p \cdot V = R \cdot T $$`
`$$  \rightarrow p(V,T)=	\frac{R \cdot T}{V} $$`

</div>

```py
def p_isotherm(V,T):
	return (R*T)/V			
```

---
## Adiabatisch

`$$  p \cdot V^{5/3} = const. $$`
`$$  \rightarrow p(V,p_0,V_0)=	\frac{p_0 \cdot V_0^{5/3}}{V^{5/3}} $$`

</div>

```py
def p_adiabatisch(V,p_start,v_start):
	return (p_start*v_start**kappa)/V**kappa
```
---
<div class="r-stack">
	<img src="assets/carnot/c1.png"  class="fragment fade-out" data-fragment-index="0"  >
	<img src="assets/carnot/c2.png" class="fragment current-visible" data-fragment-index="0" >
	<img src="assets/carnot/c3.png" class="fragment current-visible">
	<img src="assets/carnot/c4.png" class="fragment current-visible">
	<img src="assets/carnot/c5.png" class="fragment current-visible">
	<img src="assets/carnot/c6.png" class="fragment current-visible">
	<img src="assets/carnot/c7.png" class="fragment current-visible">
	<img src="assets/carnot/c8.png" class="fragment current-visible">
	<img src="assets/carnot/c9.png" class="fragment current-visible">

</div>

---
#### Inspirierende Kanäle
<img src="assets/3b1b.png" width=80% class="fragment current-visible">
---

<img  width=80%  src="assets/veritasium.png" >
---

---

<img src="assets/reducable.png">
---

Ende!

<div style="font-size: 30px;">
	<br>
	Folien sind hier erhältlich:
	<a href="https://manim-content.pages.gwdg.de/manimkurs2022-tag-1-vorstellung/" target="_blank">https://manim-content.pages.gwdg.de/manimkurs2022-tag-1-vorstellung/</a>
</div>