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[alexxy/gromacs.git] / docs / reference-manual / special / enforced-rotation.rst
1 Enforced Rotation
2 -----------------
3
4 This module can be used to enforce the rotation of a group of atoms, as
5 *e.g.* a protein subunit. There are a variety of rotation potentials,
6 among them complex ones that allow flexible adaptations of both the
7 rotated subunit as well as the local rotation axis during the
8 simulation. An example application can be found in ref.
9 :ref:`145 <refKutzner2011>`.
10
11 .. _fig-rotation:
12
13 .. figure:: plots/rotation.*
14    :width: 13.00000cm
15
16    Comparison of fixed and flexible axis rotation. A:
17    Rotating the sketched shape inside the white tubular cavity can
18    create artifacts when a fixed rotation axis (dashed) is used. More
19    realistically, the shape would revolve like a flexible pipe-cleaner
20    (dotted) inside the bearing (gray). B: Fixed rotation
21    around an axis :math:`\mathbf{v}` with a pivot point
22    specified by the vector :math:`\mathbf{u}`.
23    C: Subdividing the rotating fragment into slabs with
24    separate rotation axes (:math:`\uparrow`) and pivot points
25    (:math:`\bullet`) for each slab allows for flexibility. The distance
26    between two slabs with indices :math:`n` and :math:`n+1` is
27    :math:`\Delta x`.
28
29 .. _fig-equipotential:
30
31 .. figure:: plots/equipotential.*
32    :width: 13.00000cm
33
34    Selection of different rotation potentials and definition of
35    notation. All four potentials :math:`V` (color coded) are shown for a
36    single atom at position :math:`\mathbf{x}_j(t)`.
37    A: Isotropic potential :math:`V^\mathrm{iso}`,
38    B: radial motion potential :math:`V^\mathrm{rm}` and
39    flexible potential :math:`V^\mathrm{flex}`, C–D: radial
40    motion2 potential :math:`V^\mathrm{rm2}` and flexible2 potential
41    :math:`V^\mathrm{flex2}` for :math:`\epsilon'\mathrm{ = }0\mathrm{ nm}^2`
42    (C) and :math:`\epsilon'\mathrm{ = }0.01\mathrm{nm}^2`
43    (D). The rotation axis is perpendicular to the plane
44    and marked by :math:`\otimes`. The light gray contours indicate
45    Boltzmann factors :math:`e^{-V/(k_B T)}` in the
46    :math:`\mathbf{x}_j`-plane for :math:`T=300`\ K and
47    :math:`k\mathrm{ = }200\mathrm{kJ}/(\mathrm{mol }\cdot\mathrm{nm}^2)`. The green
48    arrow shows the direction of the force
49    :math:`\mathbf{F}_{\!j}` acting on atom :math:`j`; the
50    blue dashed line indicates the motion of the reference position.
51
52 Fixed Axis Rotation
53 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
54
55 Stationary Axis with an Isotropic Potential
56 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
57
58 In the fixed axis approach (see :numref:`Fig. %s B <fig-rotation>`),
59 torque on a group of :math:`N` atoms with positions
60 :math:`\mathbf{x}_i` (denoted “rotation group”) is applied
61 by rotating a reference set of atomic positions – usually their initial
62 positions :math:`\mathbf{y}_i^0` – at a constant angular
63 velocity :math:`\omega` around an axis defined by a direction vector
64 :math:`\hat{\mathbf{v}}` and a pivot point
65 :math:`\mathbf{u}`. To that aim, each atom with
66 position :math:`\mathbf{x}_i` is attracted by a “virtual
67 spring” potential to its moving reference position
68 :math:`\mathbf{y}_i = \mathbf{\Omega}(t) (\mathbf{y}_i^0 - \mathbf{u})`,
69 where :math:`\mathbf{\Omega}(t)` is a matrix that describes the rotation
70 around the axis. In the simplest case, the “springs” are described by a
71 harmonic potential,
72
73 .. math:: V^\mathrm{iso} = \frac{k}{2} \sum_{i=1}^{N} w_i \left[ \mathbf{\Omega}(t)
74           (\mathbf{y}_i^0 - \mathbf{u}) - (\mathbf{x}_i - \mathbf{u})  \right]^2
75           :label: eqnpotiso
76
77 with optional mass-weighted prefactors :math:`w_i = N \, m_i/M` with
78 total mass :math:`M = \sum_{i=1}^N m_i`. The rotation matrix
79 :math:`\mathbf{\Omega}(t)` is
80
81 .. math::
82
83    \mathbf{\Omega}(t) =  
84    \left(   
85    \begin{array}{ccc}
86    \cos\omega t + v_x^2{\,\xi\,}& v_x v_y{\,\xi\,}- v_z\sin\omega t  & v_x v_z{\,\xi\,}+ v_y\sin\omega t\\
87    v_x v_y{\,\xi\,}+ v_z\sin\omega t  & \cos\omega t + v_y^2{\,\xi\,}& v_y v_z{\,\xi\,}- v_x\sin\omega t\\
88    v_x v_z{\,\xi\,}- v_y\sin\omega t  & v_y v_z{\,\xi\,}+ v_x\sin\omega t  & \cos\omega t + v_z^2{\,\xi\,}\\
89    \end{array}
90    \right)
91
92 where :math:`v_x`, :math:`v_y`, and :math:`v_z` are the components of
93 the normalized rotation vector :math:`\hat{\mathbf{v}}`,
94 and :math:`{\,\xi\,}:= 1-\cos(\omega t)`. As illustrated in
95 :numref:`Fig.  %s A <fig-equipotential>` for a single atom :math:`j`,
96 the rotation matrix :math:`\mathbf{\Omega}(t)` operates on the initial
97 reference positions
98 :math:`\mathbf{y}_j^0 = \mathbf{x}_j(t_0)`
99 of atom :math:`j` at :math:`t=t_0`. At a later time :math:`t`, the
100 reference position has rotated away from its initial place (along the
101 blue dashed line), resulting in the force
102
103 .. math:: \mathbf{F}_{\!j}^\mathrm{iso} 
104           = -\nabla_{\!j} \, V^\mathrm{iso} 
105           = k \, w_j \left[
106           \mathbf{\Omega}(t) (\mathbf{y}_j^0 - \mathbf{u}) - (\mathbf{x}_j - \mathbf{u} ) \right]
107           :label: eqnforcefixed
108
109 which is directed towards the reference position.
110
111 Pivot-Free Isotropic Potential
112 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
113
114 Instead of a fixed pivot vector :math:`\mathbf{u}` this
115 potential uses the center of mass :math:`\mathbf{x}_c` of
116 the rotation group as pivot for the rotation axis,
117
118 .. math:: \mathbf{x}_c   = \frac{1}{M} \sum_{i=1}^N m_i \mathbf{x}_i 
119           \mbox{and}
120           \mathbf{y}_c^0 = \frac{1}{M} \sum_{i=1}^N m_i \mathbf{y}_i^0 \ ,
121           :label: eqncom
122
123 which yields the “pivot-free” isotropic potential
124
125 .. math:: V^\mathrm{iso-pf} = \frac{k}{2} \sum_{i=1}^{N} w_i \left[ \mathbf{\Omega}(t)
126           (\mathbf{y}_i^0 - \mathbf{y}_c^0) - (\mathbf{x}_i - \mathbf{x}_c) \right]^2 ,
127           :label: eqnpotisopf
128
129 with forces
130
131 .. math:: \mathbf{F}_{\!j}^\mathrm{iso-pf} = k \, w_j 
132           \left[ 
133           \mathbf{\Omega}(t) ( \mathbf{y}_j^0 - \mathbf{y}_c^0) 
134                            - ( \mathbf{x}_j   - \mathbf{x}_c )
135           \right] .
136           :label: eqnforceisopf
137
138 Without mass-weighting, the pivot :math:`\mathbf{x}_c` is
139 the geometrical center of the group.
140
141 Parallel Motion Potential Variant
142 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
143
144 The forces generated by the isotropic potentials
145 (eqns. :eq:`%s <eqnpotiso>` and :eq:`%s <eqnpotisopf>`) also contain components parallel to the
146 rotation axis and thereby restrain motions along the axis of either the
147 whole rotation group (in case of :math:`V^\mathrm{iso}`) or within the
148 rotation group, in case of 
149
150 .. math:: V^\mathrm{iso-pf}
151         
152 For cases where
153 unrestrained motion along the axis is preferred, we have implemented a
154 “parallel motion” variant by eliminating all components parallel to the
155 rotation axis for the potential. This is achieved by projecting the
156 distance vectors between reference and actual positions
157
158 .. math:: \mathbf{r}_i = \mathbf{\Omega}(t) (\mathbf{y}_i^0 - \mathbf{u}) - (\mathbf{x}_i - \mathbf{u})
159
160 onto the plane perpendicular to the rotation vector,
161
162 .. math:: \mathbf{r}_i^\perp :=  \mathbf{r}_i - (\mathbf{r}_i \cdot \hat{\mathbf{v}})\hat{\mathbf{v}}
163           :label: eqnproject
164
165 yielding
166
167 .. math:: \begin{aligned}
168           \nonumber
169           V^\mathrm{pm} &=& \frac{k}{2} \sum_{i=1}^{N} w_i ( \mathbf{r}_i^\perp )^2 \\
170                   &=& \frac{k}{2} \sum_{i=1}^{N} w_i
171            \left\lbrace
172            \mathbf{\Omega}(t)
173              (\mathbf{y}_i^0 - \mathbf{u}) - (\mathbf{x}_i - \mathbf{u})  \right. \nonumber \\
174           && \left. - \left\lbrace
175           \left[ \mathbf{\Omega}(t)(\mathbf{y}_i^0 - \mathbf{u}) - (\mathbf{x}_i - \mathbf{u}) \right] \cdot\hat{\mathbf{v}}
176             \right\rbrace\hat{\mathbf{v}} \right\rbrace^2
177           \end{aligned}
178           :label: eqnpotpm
179
180 and similarly
181
182 .. math:: \mathbf{F}_{\!j}^\mathrm{pm} = k \, w_j \, \mathbf{r}_j^\perp
183           :label: eqnforcepm
184
185 Pivot-Free Parallel Motion Potential
186 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
187
188 Replacing in eqn. :eq:`%s <eqnpotpm>` the fixed pivot
189 :math:`\mathbf{u}` by the center of mass
190 :math:`\mathbf{x_c}` yields the pivot-free variant of the
191 parallel motion potential. With
192
193 .. math:: \mathbf{s}_i = \mathbf{\Omega}(t) (\mathbf{y}_i^0 - \mathbf{y}_c^0) - (\mathbf{x}_i - \mathbf{x}_c)
194
195 the respective potential and forces are
196
197 .. math:: \begin{aligned}
198           V^\mathrm{pm-pf} &=& \frac{k}{2} \sum_{i=1}^{N} w_i ( \mathbf{s}_i^\perp )^2 \end{aligned}
199           :label: eqnpotpmpf
200
201 .. math:: \begin{aligned}
202           \mathbf{F}_{\!j}^\mathrm{pm-pf} &=& k \, w_j \, \mathbf{s}_j^\perp
203           \end{aligned}
204           :label: eqnforcepmpf
205
206 Radial Motion Potential
207 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
208
209 In the above variants, the minimum of the rotation potential is either a
210 single point at the reference position
211 :math:`\mathbf{y}_i` (for the isotropic potentials) or a
212 single line through :math:`\mathbf{y}_i` parallel to the
213 rotation axis (for the parallel motion potentials). As a result, radial
214 forces restrict radial motions of the atoms. The two subsequent types of
215 rotation potentials, :math:`V^\mathrm{rm}` and :math:`V^\mathrm{rm2}`, drastically
216 reduce or even eliminate this effect. The first variant, :math:`V^\mathrm{rm}`
217 (:numref:`Fig. %s B <fig-equipotential>`), eliminates all force
218 components parallel to the vector connecting the reference atom and the
219 rotation axis,
220
221 .. math:: V^\mathrm{rm} = \frac{k}{2} \sum_{i=1}^{N} w_i \left[
222           \mathbf{p}_i
223           \cdot(\mathbf{x}_i - \mathbf{u}) \right]^2 ,
224           :label: eqnpotrm
225
226 with
227
228 .. math::
229
230    \mathbf{p}_i := 
231    \frac{\hat{\mathbf{v}}\times \mathbf{\Omega}(t) (\mathbf{y}_i^0 - \mathbf{u})} {\| \hat{\mathbf{v}}\times \mathbf{\Omega}(t) (\mathbf{y}_i^0 - \mathbf{u})\|} \ .
232
233 This variant depends only on the distance
234 :math:`\mathbf{p}_i \cdot (\mathbf{x}_i -
235 \mathbf{u})` of atom :math:`i` from the plane spanned by
236 :math:`\hat{\mathbf{v}}` and
237 :math:`\mathbf{\Omega}(t)(\mathbf{y}_i^0 - \mathbf{u})`.
238 The resulting force is
239
240 .. math:: \mathbf{F}_{\!j}^\mathrm{rm} =
241            -k \, w_j \left[ \mathbf{p}_j\cdot(\mathbf{x}_j - \mathbf{u}) \right] \,\mathbf{p}_j \,  .
242           :label: eqnpotrmforce
243
244 Pivot-Free Radial Motion Potential
245 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
246
247 Proceeding similar to the pivot-free isotropic potential yields a
248 pivot-free version of the above potential. With
249
250 .. math::
251
252    \mathbf{q}_i := 
253    \frac{\hat{\mathbf{v}}\times \mathbf{\Omega}(t) (\mathbf{y}_i^0 - \mathbf{y}_c^0)} {\| \hat{\mathbf{v}}\times \mathbf{\Omega}(t) (\mathbf{y}_i^0 - \mathbf{y}_c^0)\|} \, ,
254
255 the potential and force for the pivot-free variant of the radial motion
256 potential read
257
258 .. math:: \begin{aligned}
259           V^\mathrm{rm-pf} & = & \frac{k}{2} \sum_{i=1}^{N} w_i \left[
260           \mathbf{q}_i
261           \cdot(\mathbf{x}_i - \mathbf{x}_c)
262           \right]^2 \, , \end{aligned}
263           :label: eqnpotrmpf
264
265 .. math:: \begin{aligned}       
266           \mathbf{F}_{\!j}^\mathrm{rm-pf} & = &
267            -k \, w_j \left[ \mathbf{q}_j\cdot(\mathbf{x}_j - \mathbf{x}_c) \right] \,\mathbf{q}_j 
268            + k   \frac{m_j}{M} \sum_{i=1}^{N} w_i \left[
269            \mathbf{q}_i\cdot(\mathbf{x}_i - \mathbf{x}_c) \right]\,\mathbf{q}_i \, .
270           \end{aligned}
271           :label: eqnpotrmpfforce
272
273 Radial Motion 2 Alternative Potential
274 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
275
276 As seen in :numref:`Fig. %s B <fig-equipotential>`, the force
277 resulting from :math:`V^\mathrm{rm}` still contains a small, second-order
278 radial component. In most cases, this perturbation is tolerable; if not,
279 the following alternative, :math:`V^\mathrm{rm2}`, fully eliminates the
280 radial contribution to the force, as depicted in
281 :numref:`Fig. %s C <fig-equipotential>`,
282
283 .. math:: V^\mathrm{rm2} = 
284           \frac{k}{2} \sum_{i=1}^{N} w_i\, 
285           \frac{\left[ (\hat{\mathbf{v}} \times ( \mathbf{x}_i - \mathbf{u} ))
286           \cdot \mathbf{\Omega}(t)(\mathbf{y}_i^0 - \mathbf{u}) \right]^2}
287           {\| \hat{\mathbf{v}} \times (\mathbf{x}_i - \mathbf{u}) \|^2 +
288           \epsilon'} \, ,
289           :label: eqnpotrm2
290
291 where a small parameter :math:`\epsilon'` has been introduced to avoid
292 singularities. For :math:`\epsilon'\mathrm{ = }0\mathrm{nm}^2`, the
293 equipotential planes are spanned by :math:`\mathbf{x}_i -
294 \mathbf{u}` and :math:`\hat{\mathbf{v}}`,
295 yielding a force perpendicular to
296 :math:`\mathbf{x}_i - \mathbf{u}`, thus not
297 contracting or expanding structural parts that moved away from or toward
298 the rotation axis.
299
300 Choosing a small positive :math:`\epsilon'` (*e.g.*,
301 :math:`\epsilon'\mathrm{ = }0.01\mathrm{nm}^2`,
302 :numref:`Fig. %s D <fig-equipotential>`) in the denominator of
303 eqn. :eq:`%s <eqnpotrm2>` yields a well-defined potential and
304 continuous forces also close to the rotation axis, which is not the case
305 for :math:`\epsilon'\mathrm{ = }0\mathrm{nm}^2`
306 (:numref:`Fig. %s C <fig-equipotential>`). With
307
308 .. math::
309
310    \begin{aligned}
311    \mathbf{r}_i & := & \mathbf{\Omega}(t)(\mathbf{y}_i^0 - \mathbf{u})\\
312    \mathbf{s}_i & := & \frac{\hat{\mathbf{v}} \times (\mathbf{x}_i -
313    \mathbf{u} ) }{ \| \hat{\mathbf{v}} \times (\mathbf{x}_i - \mathbf{u})
314    \| } \equiv \; \Psi_{i} \;\; {\hat{\mathbf{v}} \times
315    (\mathbf{x}_i-\mathbf{u} ) }\\
316    \Psi_i^{*}   & := & \frac{1}{ \| \hat{\mathbf{v}} \times
317    (\mathbf{x}_i-\mathbf{u}) \|^2 + \epsilon'}\end{aligned}
318
319 the force on atom :math:`j` reads
320
321 .. math:: \mathbf{F}_{\!j}^\mathrm{rm2}  = 
322           - k\; 
323           \left\lbrace w_j\;
324           (\mathbf{s}_j\cdot\mathbf{r}_{\!j})\;
325           \left[ \frac{\Psi_{\!j}^*   }{\Psi_{\!j}  }  \mathbf{r}_{\!j} 
326                - \frac{\Psi_{\!j}^{ * 2}}{\Psi_{\!j}^3}
327                (\mathbf{s}_j\cdot\mathbf{r}_{\!j})\mathbf{s}_j \right]
328           \right\rbrace \times \hat{\mathbf{v}} .
329           :label: eqnpotrm2force
330
331 Pivot-Free Radial Motion 2 Potential
332 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
333
334 The pivot-free variant of the above potential is
335
336 .. math:: V{^\mathrm{rm2-pf}}= 
337           \frac{k}{2} \sum_{i=1}^{N} w_i\, 
338           \frac{\left[ (\hat{\mathbf{v}} \times ( \mathbf{x}_i - \mathbf{x}_c ))
339           \cdot \mathbf{\Omega}(t)(\mathbf{y}_i^0 - \mathbf{y}_c) \right]^2}
340           {\| \hat{\mathbf{v}} \times (\mathbf{x}_i - \mathbf{x}_c) \|^2 +
341           \epsilon'} \, .
342           :label: eqnpotrm2pf
343
344 With
345
346 .. math::
347
348    \begin{aligned}
349    \mathbf{r}_i & := & \mathbf{\Omega}(t)(\mathbf{y}_i^0 - \mathbf{y}_c)\\
350    \mathbf{s}_i & := & \frac{\hat{\mathbf{v}} \times (\mathbf{x}_i -
351    \mathbf{x}_c ) }{ \| \hat{\mathbf{v}} \times (\mathbf{x}_i - \mathbf{x}_c)
352    \| } \equiv \; \Psi_{i} \;\; {\hat{\mathbf{v}} \times
353    (\mathbf{x}_i-\mathbf{x}_c ) }\\ \Psi_i^{*}   & := & \frac{1}{ \| \hat{\mathbf{v}} \times
354    (\mathbf{x}_i-\mathbf{x}_c) \|^2 + \epsilon'}\end{aligned}
355
356 the force on atom :math:`j` reads
357
358 .. math:: \begin{aligned}
359           \nonumber
360           \mathbf{F}_{\!j}{^\mathrm{rm2-pf}}& = &
361           - k\; 
362           \left\lbrace w_j\;
363           (\mathbf{s}_j\cdot\mathbf{r}_{\!j})\;
364           \left[ \frac{\Psi_{\!j}^*   }{\Psi_{\!j}  } \mathbf{r}_{\!j} 
365                - \frac{\Psi_{\!j}^{ * 2}}{\Psi_{\!j}^3}
366                (\mathbf{s}_j\cdot\mathbf{r}_{\!j})\mathbf{s}_j \right]
367           \right\rbrace \times \hat{\mathbf{v}}\\
368                & &
369           + k\;\frac{m_j}{M} \left\lbrace \sum_{i=1}^{N}
370           w_i\;(\mathbf{s}_i\cdot\mathbf{r}_i) \; 
371           \left[ \frac{\Psi_i^*   }{\Psi_i  }  \mathbf{r}_i
372                - \frac{\Psi_i^{ * 2}}{\Psi_i^3} (\mathbf{s}_i\cdot\mathbf{r}_i )\;
373                \mathbf{s}_i \right] \right\rbrace \times \hat{\mathbf{v}} \, .
374           \end{aligned}
375           :label: eqnpotrm2pfforce
376
377 Flexible Axis Rotation
378 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
379
380 As sketched in :numref:`Fig. %s <fig-rotation>` A–B, the rigid body
381 behavior of the fixed axis rotation scheme is a drawback for many
382 applications. In particular, deformations of the rotation group are
383 suppressed when the equilibrium atom positions directly depend on the
384 reference positions. To avoid this limitation,
385 eqns. :eq:`%s <eqnpotrmpf>` and :eq:`%s <eqnpotrm2pf>`
386 will now be generalized towards a “flexible axis” as sketched in
387 :numref:`Fig. %s C <fig-rotation>`. This will be achieved by
388 subdividing the rotation group into a set of equidistant slabs
389 perpendicular to the rotation vector, and by applying a separate
390 rotation potential to each of these slabs.
391 :numref:`Fig. %s C <fig-rotation>` shows the midplanes of the slabs
392 as dotted straight lines and the centers as thick black dots.
393
394 To avoid discontinuities in the potential and in the forces, we define
395 “soft slabs” by weighing the contributions of each slab :math:`n` to the
396 total potential function :math:`V^\mathrm{flex}` by a Gaussian function
397
398 .. math:: g_n(\mathbf{x}_i) = \Gamma \ \mbox{exp} \left(
399           -\frac{\beta_n^2(\mathbf{x}_i)}{2\sigma^2}  \right) ,
400           :label: eqngaussian
401
402 centered at the midplane of the :math:`n`\ th slab. Here :math:`\sigma`
403 is the width of the Gaussian function, :math:`\Delta x` the distance
404 between adjacent slabs, and
405
406 .. math:: \beta_n(\mathbf{x}_i) := \mathbf{x}_i \cdot \hat{\mathbf{v}} - n \, \Delta x \, .
407
408 .. _fig-gaussian:
409
410 .. figure:: plots/gaussians.*
411    :width: 6.50000cm
412
413    Gaussian functions :math:`g_n` centered at :math:`n \, \Delta x` for
414    a slab distance :math:`\Delta x = 1.5` nm and :math:`n \geq -2`.
415    Gaussian function :math:`g_0` is highlighted in bold; the dashed line
416    depicts the sum of the shown Gaussian functions.
417
418 A most convenient choice is :math:`\sigma = 0.7 \Delta x` and
419
420 .. math::
421
422    1/\Gamma = \sum_{n \in Z}
423    \mbox{exp}
424    \left(-\frac{(n - \frac{1}{4})^2}{2\cdot 0.7^2}\right)
425    \approx 1.75464 \, ,
426
427 which yields a nearly constant sum, essentially independent of
428 :math:`\mathbf{x}_i` (dashed line in
429 :numref:`Fig. %s <fig-gaussian>`), *i.e.*,
430
431 .. math:: \sum_{n \in Z} g_n(\mathbf{x}_i) =  1 + \epsilon(\mathbf{x}_i) \, ,
432           :label: eqnnormal
433
434 with
435 :math:`| \epsilon(\mathbf{x}_i) | < 1.3\cdot 10^{-4}`.
436 This choice also implies that the individual contributions to the force
437 from the slabs add up to unity such that no further normalization is
438 required.
439
440 To each slab center :math:`\mathbf{x}_c^n`, all atoms
441 contribute by their Gaussian-weighted (optionally also mass-weighted)
442 position vectors
443 :math:`g_n(\mathbf{x}_i) \, \mathbf{x}_i`.
444 The instantaneous slab centers :math:`\mathbf{x}_c^n` are
445 calculated from the current positions
446 :math:`\mathbf{x}_i`,
447
448 .. math::  \mathbf{x}_c^n =
449            \frac{\sum_{i=1}^N g_n(\mathbf{x}_i) \, m_i \, \mathbf{x}_i}
450                 {\sum_{i=1}^N g_n(\mathbf{x}_i) \, m_i} \, ,\\
451            :label: eqndefx0 
452
453 while the reference centers :math:`\mathbf{y}_c^n` are
454 calculated from the reference positions
455 :math:`\mathbf{y}_i^0`,
456
457 .. math:: \mathbf{y}_c^n =
458           \frac{\sum_{i=1}^N g_n(\mathbf{y}_i^0) \, m_i \, \mathbf{y}_i^0}
459                {\sum_{i=1}^N g_n(\mathbf{y}_i^0) \, m_i} \, .
460           :label: eqndefy0
461
462 Due to the rapid decay of :math:`g_n`, each slab will essentially
463 involve contributions from atoms located within :math:`\approx
464 3\Delta x` from the slab center only.
465
466 Flexible Axis Potential
467 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
468
469 We consider two flexible axis variants. For the first variant, the slab
470 segmentation procedure with Gaussian weighting is applied to the radial
471 motion potential
472 (eqn. :eq:`%s <eqnpotrmpf>` / :numref:`Fig. %s B <fig-equipotential>`),
473 yielding as the contribution of slab :math:`n`
474
475 .. math::  V^n = 
476            \frac{k}{2} \sum_{i=1}^{N} w_i \, g_n(\mathbf{x}_i) 
477            \left[
478            \mathbf{q}_i^n
479            \cdot
480             (\mathbf{x}_i - \mathbf{x}_c^n) 
481            \right]^2  ,
482            :label: eqnflexpot
483
484 and a total potential function
485
486 .. math:: V^\mathrm{flex} = \sum_n V^n \, .
487           :label: eqnpotflex
488
489 Note that the global center of mass :math:`\mathbf{x}_c`
490 used in eqn. :eq:`%s <eqnpotrmpf>` is now replaced by
491 :math:`\mathbf{x}_c^n`, the center of mass of the slab.
492 With
493
494 .. math::
495
496    \begin{aligned}
497    \mathbf{q}_i^n & := & \frac{\hat{\mathbf{v}} \times
498    \mathbf{\Omega}(t)(\mathbf{y}_i^0 - \mathbf{y}_c^n) }{ \| \hat{\mathbf{v}}
499    \times \mathbf{\Omega}(t)(\mathbf{y}_i^0 - \mathbf{y}_c^n) \| } \\
500    b_i^n         & := & \mathbf{q}_i^n \cdot (\mathbf{x}_i - \mathbf{x}_c^n) \, ,\end{aligned}
501
502 the resulting force on atom :math:`j` reads
503
504 .. math:: \begin{aligned}
505           \nonumber\hspace{-15mm}
506           \mathbf{F}_{\!j}^\mathrm{flex} &=&
507           - \, k \, w_j \sum_n g_n(\mathbf{x}_j) \, b_j^n \left\lbrace  \mathbf{q}_j^n -
508           b_j^n \frac{\beta_n(\mathbf{x}_j)}{2\sigma^2} \hat{\mathbf{v}} \right\rbrace \\ & &
509           + \, k \, m_j \sum_n \frac{g_n(\mathbf{x}_j)}{\sum_h g_n(\mathbf{x}_h)}
510           \sum_{i=1}^{N} w_i \, g_n(\mathbf{x}_i) \, b_i^n \left\lbrace 
511           \mathbf{q}_i^n -\frac{\beta_n(\mathbf{x}_j)}{\sigma^2}
512           \left[ \mathbf{q}_i^n \cdot (\mathbf{x}_j - \mathbf{x}_c^n )\right]
513           \hat{\mathbf{v}} \right\rbrace .
514           \end{aligned}
515           :label: eqnpotflexforce
516
517 Note that for :math:`V^\mathrm{flex}`, as defined, the slabs are fixed in
518 space and so are the reference centers
519 :math:`\mathbf{y}_c^n`. If during the simulation the
520 rotation group moves too far in :math:`\mathbf{v}`
521 direction, it may enter a region where – due to the lack of nearby
522 reference positions – no reference slab centers are defined, rendering
523 the potential evaluation impossible. We therefore have included a
524 slightly modified version of this potential that avoids this problem by
525 attaching the midplane of slab :math:`n=0` to the center of mass of the
526 rotation group, yielding slabs that move with the rotation group. This
527 is achieved by subtracting the center of mass
528 :math:`\mathbf{x}_c` of the group from the positions,
529
530 .. math:: \tilde{\mathbf{x}}_i = \mathbf{x}_i - \mathbf{x}_c \, , \mbox{\ \ \ and \ \ } 
531           \tilde{\mathbf{y}}_i^0 = \mathbf{y}_i^0 - \mathbf{y}_c^0 \, ,
532           :label: eqntrafo
533
534 such that
535
536 .. math:: \begin{aligned}
537           V^\mathrm{flex-t} 
538             & = & \frac{k}{2} \sum_n \sum_{i=1}^{N} w_i \, g_n(\tilde{\mathbf{x}}_i)
539             \left[ \frac{\hat{\mathbf{v}} \times \mathbf{\Omega}(t)(\tilde{\mathbf{y}}_i^0
540             - \tilde{\mathbf{y}}_c^n) }{ \| \hat{\mathbf{v}} \times
541           \mathbf{\Omega}(t)(\tilde{\mathbf{y}}_i^0 -
542           \tilde{\mathbf{y}}_c^n) \| }
543           \cdot
544            (\tilde{\mathbf{x}}_i - \tilde{\mathbf{x}}_c^n) 
545           \right]^2 .
546           \end{aligned}
547           :label: eqnpotflext
548
549 To simplify the force derivation, and for efficiency reasons, we here
550 assume :math:`\mathbf{x}_c` to be constant, and thus
551 :math:`\partial \mathbf{x}_c / \partial x =
552 \partial \mathbf{x}_c / \partial y = \partial \mathbf{x}_c / \partial z = 0`.
553 The resulting force error is small (of order :math:`O(1/N)` or
554 :math:`O(m_j/M)` if mass-weighting is applied) and can therefore be
555 tolerated. With this assumption, the forces
556
557 .. math::
558     \mathbf{F}^\mathrm{flex-t}
559    
560 have the same form as
561 eqn. :eq:`%s <eqnpotflexforce>`.
562
563 Flexible Axis 2 Alternative Potential
564 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
565
566 In this second variant, slab segmentation is applied to
567 :math:`V^\mathrm{rm2}` (eqn. :eq:`%s <eqnpotrm2pf>`), resulting in
568 a flexible axis potential without radial force contributions
569 (:numref:`Fig. %s C <fig-equipotential>`),
570
571 .. math::   V{^\mathrm{flex2}}= 
572             \frac{k}{2} \sum_{i=1}^{N} \sum_n w_i\,g_n(\mathbf{x}_i) 
573             \frac{\left[ (\hat{\mathbf{v}} \times ( \mathbf{x}_i - \mathbf{x}_c^n ))
574             \cdot \mathbf{\Omega}(t)(\mathbf{y}_i^0 - \mathbf{y}_c^n) \right]^2}
575             {\| \hat{\mathbf{v}} \times (\mathbf{x}_i - \mathbf{x}_c^n) \|^2 +
576             \epsilon'}
577             :label: eqnpotflex2
578
579 With
580
581 .. math:: \begin{aligned}
582           \mathbf{r}_i^n & := & \mathbf{\Omega}(t)(\mathbf{y}_i^0 - \mathbf{y}_c^n)\\
583           \mathbf{s}_i^n & := & \frac{\hat{\mathbf{v}} \times (\mathbf{x}_i -
584           \mathbf{x}_c^n ) }{ \| \hat{\mathbf{v}} \times (\mathbf{x}_i - \mathbf{x}_c^n)
585           \| } \equiv \; \psi_{i} \;\; {\hat{\mathbf{v}} \times (\mathbf{x}_i-\mathbf{x}_c^n ) }\\
586           \psi_i^{*}     & := & \frac{1}{ \| \hat{\mathbf{v}} \times (\mathbf{x}_i-\mathbf{x}_c^n) \|^2 + \epsilon'}\\
587           W_j^n          & := & \frac{g_n(\mathbf{x}_j)\,m_j}{\sum_h g_n(\mathbf{x}_h)\,m_h}\\
588           \mathbf{S}^n   & := & 
589           \sum_{i=1}^{N} w_i\;g_n(\mathbf{x}_i)
590           \; (\mathbf{s}_i^n\cdot\mathbf{r}_i^n)
591           \left[ \frac{\psi_i^*   }{\psi_i  }  \mathbf{r}_i^n
592                - \frac{\psi_i^{ * 2}}{\psi_i^3} (\mathbf{s}_i^n\cdot\mathbf{r}_i^n )\;
593                \mathbf{s}_i^n \right] 
594           \end{aligned}
595           :label: eqnSn
596
597 the force on atom :math:`j` reads
598
599 .. math:: \begin{aligned}
600           \nonumber
601           \mathbf{F}_{\!j}{^\mathrm{flex2}}& = &
602           - k\; 
603           \left\lbrace \sum_n w_j\;g_n(\mathbf{x}_j)\;
604           (\mathbf{s}_j^n\cdot\mathbf{r}_{\!j}^n)\;
605           \left[ \frac{\psi_j^*   }{\psi_j  }  \mathbf{r}_{\!j}^n 
606                - \frac{\psi_j^{ * 2}}{\psi_j^3} (\mathbf{s}_j^n\cdot\mathbf{r}_{\!j}^n)\;
607                \mathbf{s}_{\!j}^n \right] \right\rbrace \times \hat{\mathbf{v}} \\
608           \nonumber
609           & &
610           + k \left\lbrace \sum_n W_{\!j}^n \, \mathbf{S}^n \right\rbrace \times
611           \hat{\mathbf{v}}
612           - k \left\lbrace \sum_n W_{\!j}^n \; \frac{\beta_n(\mathbf{x}_j)}{\sigma^2} \frac{1}{\psi_j}\;\; 
613           \mathbf{s}_j^n \cdot 
614           \mathbf{S}^n \right\rbrace \hat{\mathbf{v}}\\ 
615           & & 
616           + \frac{k}{2} \left\lbrace \sum_n w_j\;g_n(\mathbf{x}_j)
617           \frac{\beta_n(\mathbf{x}_j)}{\sigma^2} 
618           \frac{\psi_j^*}{\psi_j^2}( \mathbf{s}_j^n \cdot \mathbf{r}_{\!j}^n )^2 \right\rbrace
619           \hat{\mathbf{v}} .
620           \end{aligned}
621           :label: eqnpotflex2force
622
623 Applying transformation :eq:`%s <eqntrafo>` yields a
624 “translation-tolerant” version of the flexible2 potential,
625 :math:`V{^\mathrm{flex2 - t}}`. Again, assuming that
626 :math:`\partial \mathbf{x}_c / \partial x`,
627 :math:`\partial \mathbf{x}_c /
628 \partial y`, :math:`\partial \mathbf{x}_c / \partial z`
629 are small, the resulting equations for :math:`V{^\mathrm{flex2 - t}}`
630 and :math:`\mathbf{F}{^\mathrm{flex2 - t}}` are similar
631 to those of :math:`V^\mathrm{flex2}` and
632 :math:`\mathbf{F}^\mathrm{flex2}`.
633
634 Usage
635 ~~~~~
636
637 To apply enforced rotation, the particles :math:`i` that are to be
638 subjected to one of the rotation potentials are defined via index groups
639 ``rot-group0``, ``rot-group1``, etc., in the
640 :ref:`mdp` input file. The reference positions
641 :math:`\mathbf{y}_i^0` are read from a special
642 :ref:`trr` file provided to :ref:`grompp <gmx grompp>`. If no such
643 file is found, :math:`\mathbf{x}_i(t=0)` are used as
644 reference positions and written to :ref:`trr` such that they
645 can be used for subsequent setups. All parameters of the potentials such
646 as :math:`k`, :math:`\epsilon'`, etc.
647 (:numref:`Table %s <tab-vars>`) are provided as :ref:`mdp`
648 parameters; ``rot-type`` selects the type of the potential.
649 The option ``rot-massw`` allows to choose whether or not to
650 use mass-weighted averaging. For the flexible potentials, a cutoff value
651 :math:`g_n^\mathrm{min}` (typically :math:`g_n^\mathrm{min}=0.001`)
652 makes sure that only significant contributions to :math:`V` and
653 :math:`\mathbf{F}` are evaluated, *i.e.* terms with
654 :math:`g_n(\mathbf{x}) < g_n^\mathrm{min}` are omitted.
655 :numref:`Table %s <tab-quantities>` summarizes observables that are
656 written to additional output files and which are described below.
657
658 .. |ROTISO| replace:: V\ :math:`^\mathrm{iso}`
659 .. |ROTISOPF| replace:: V\ :math:`^\mathrm{iso-pf}`
660 .. |ROTPM| replace:: V\ :math:`^\mathrm{pm}`
661 .. |ROTPMPF| replace:: V\ :math:`^\mathrm{pm-pf}`
662 .. |ROTRM| replace:: V\ :math:`^\mathrm{rm}`
663 .. |ROTRMPF| replace:: V\ :math:`^\mathrm{rm-pf}`
664 .. |ROTRM2| replace:: V\ :math:`^\mathrm{rm2}`
665 .. |ROTRM2PF| replace:: V\ :math:`^\mathrm{rm2-pf}`
666 .. |ROTFL| replace:: V\ :math:`^\mathrm{flex}`
667 .. |ROTFLT| replace:: V\ :math:`^\mathrm{flex-t}`
668 .. |ROTFL2| replace:: V\ :math:`^\mathrm{flex2}`
669 .. |ROTFLT2| replace:: V\ :math:`^\mathrm{flex2-t}`
670 .. |KUNIT| replace:: :math:`\frac{\mathrm{kJ}}{\mathrm{mol} \cdot \mathrm{nm}^2}`
671 .. |BFX| replace:: **x**
672 .. |KMA| replace:: :math:`k`
673 .. |VECV| replace:: :math:`\hat{\mathbf{v}}`
674 .. |VECU| replace:: :math:`\mathbf{u}`
675 .. |OMEG| replace:: :math:`\omega`
676 .. |EPSP| replace:: :math:`{\epsilon}'`
677 .. |DELX| replace:: :math:`{\Delta}x`
678 .. |GMIN| replace:: :math:`g_n^\mathrm{min}`
679 .. |CIPS| replace:: :math:`^\circ`\ /ps
680 .. |NM2| replace:: nm\ :math:`^2`
681 .. |REF1| replace:: \ :eq:`eqnpotiso`
682 .. |REF2| replace:: \ :eq:`eqnpotisopf`
683 .. |REF3| replace:: \ :eq:`eqnpotpm`
684 .. |REF4| replace:: \ :eq:`eqnpotpmpf`
685 .. |REF5| replace:: \ :eq:`eqnpotrm`
686 .. |REF6| replace:: \ :eq:`eqnpotrmpf`
687 .. |REF7| replace:: \ :eq:`eqnpotrm2`
688 .. |REF8| replace:: \ :eq:`eqnpotrm2pf`
689 .. |REF9| replace:: \ :eq:`eqnpotflex`
690 .. |REF10| replace:: \ :eq:`eqnpotflext`
691 .. |REF11| replace:: \ :eq:`eqnpotflex2`
692
693 .. _tab-vars:
694
695 .. table:: Parameters used by the various rotation potentials.
696            |BFX| indicate which parameter is actually used for a given potential
697            :widths: auto
698            :align: center
699
700            +------------------------------------------+---------+--------+--------+--------+--------+-----------+-----------+
701            | parameter                                | |KMA|   | |VECV| | |VECU| | |OMEG| | |EPSP| | |DELX|    | |GMIN|    |
702            +------------------------------------------+---------+--------+--------+--------+--------+-----------+-----------+
703            | :ref:`mdp` input variable name           | k       | vec    | pivot  | rate   | eps    | slab-dist | min-gauss |
704            +------------------------------------------+---------+--------+--------+--------+--------+-----------+-----------+
705            | unit                                     | |KUNIT| | ``-``  | nm     | |CIPS| | |NM2|  | nm        | ``-``     |
706            +================================+=========+=========+========+========+========+========+===========+===========+
707            | fixed axis potentials:         | eqn.                                                                          |
708            +-------------------+------------+---------+---------+--------+--------+--------+--------+-----------+-----------+
709            | isotropic         | |ROTISO|   | |REF1|  | |BFX|   | |BFX|  | |BFX|  | |BFX|  | ``-``  | ``-``     | ``-``     |
710            +-------------------+------------+---------+---------+--------+--------+--------+--------+-----------+-----------+
711            | --- pivot-free    | |ROTISOPF| | |REF2|  | |BFX|   | |BFX|  | ``-``  | |BFX|  | ``-``  | ``-``     | ``-``     |
712            +-------------------+------------+---------+---------+--------+--------+--------+--------+-----------+-----------+
713            | parallel motion   | |ROTPM|    | |REF3|  | |BFX|   | |BFX|  | |BFX|  | |BFX|  | ``-``  | ``-``     | ``-``     |
714            +-------------------+------------+---------+---------+--------+--------+--------+--------+-----------+-----------+
715            | --- pivot-free    | |ROTPMPF|  | |REF4|  | |BFX|   | |BFX|  | ``-``  | |BFX|  | ``-``  | ``-``     | ``-``     |
716            +-------------------+------------+---------+---------+--------+--------+--------+--------+-----------+-----------+
717            | radial motion     | |ROTRM|    | |REF5|  | |BFX|   | |BFX|  | |BFX|  | |BFX|  | ``-``  | ``-``     | ``-``     |
718            +-------------------+------------+---------+---------+--------+--------+--------+--------+-----------+-----------+
719            | --- pivot-free    | |ROTRMPF|  | |REF6|  | |BFX|   | |BFX|  | ``-``  | |BFX|  | ``-``  | ``-``     | ``-``     |
720            +-------------------+------------+---------+---------+--------+--------+--------+--------+-----------+-----------+
721            | radial motion 2   | |ROTRM2|   | |REF7|  | |BFX|   | |BFX|  | |BFX|  | |BFX|  | |BFX|  | ``-``     | ``-``     |
722            +-------------------+------------+---------+---------+--------+--------+--------+--------+-----------+-----------+
723            | --- pivot-free    | |ROTRM2PF| | |REF8|  | |BFX|   | |BFX|  | ``-``  | |BFX|  | |BFX|  | ``-``     | ``-``     |
724            +-------------------+------------+---------+---------+--------+--------+--------+--------+-----------+-----------+
725            | flexible axis potentials:      | eqn.                                                                          | 
726            +-------------------+------------+---------+---------+--------+--------+--------+--------+-----------+-----------+
727            | flexible          | |ROTFL|    | |REF9|  | |BFX|   | |BFX|  | ``-``  | |BFX|  | ``-``  | |BFX|     | |BFX|     |
728            +-------------------+------------+---------+---------+--------+--------+--------+--------+-----------+-----------+
729            | --- transl. tol   | |ROTFLT|   | |REF10| | |BFX|   | |BFX|  | ``-``  | |BFX|  | ``-``  | |BFX|     | |BFX|     |
730            +-------------------+------------+---------+---------+--------+--------+--------+--------+-----------+-----------+
731            | flexible 2        | |ROTFL2|   | |REF11| | |BFX|   | |BFX|  | ``-``  | |BFX|  | |BFX|  | |BFX|     | |BFX|     |
732            +-------------------+------------+---------+---------+--------+--------+--------+--------+-----------+-----------+
733            | --- transl. tol   | |ROTFLT2|  | ``-``   | |BFX|   | |BFX|  | ``-``  | |BFX|  | |BFX|  | |BFX|     | |BFX|     |
734            +-------------------+------------+---------+---------+--------+--------+--------+--------+-----------+-----------+
735
736
737
738
739 .. |VT|      replace:: :math:`V(t)`
740 .. |THET|    replace:: :math:`\theta_{  \mathrm{ref}}(t)`
741 .. |THETAV|  replace:: :math:`\theta_{\mathrm{av}}(t)`
742 .. |THETFIT| replace:: :math:`\theta_{\mathrm{fit}}(t)`, :math:`\theta_{\mathrm{fit}}(t,n)`
743 .. |YVEC|    replace:: :math:`\mathbf{y}_{0}(n)`, :math:`\mathbf{x}_{0}(t,n)`
744 .. |TAUT|    replace:: :math:`\tau(t)`
745 .. |TAUTN|   replace:: :math:`\tau(t,n)`
746 .. |REFT|  replace:: :numref:`see Table %s <tab-vars>`
747 .. |REFEQ| replace:: :math:`\theta_{\mathrm{ref}}(t)=\omega t`
748 .. |REF12| replace:: \ :eq:`eqnavangle`
749 .. |REF13| replace:: \ :eq:`eqnrmsdfit`
750 .. |REF14| replace:: \ :eq:`eqndefx0`\ ,\ :eq:`eqndefy0`
751 .. |REF15| replace:: \ :eq:`eqntorque` 
752
753 .. _tab-quantities:
754
755 .. table:: Quantities recorded in output files during enforced rotation simulations.
756            All slab-wise data is written every ``nstsout`` steps, other rotation data every ``nstrout`` steps.
757            :widths: auto
758            :align: center
759
760            +------------+---------+------------+--------------------+-------+----------+
761            | quantity   | unit    | equation   | output file        | fixed | flexible |
762            +============+=========+============+====================+=======+==========+
763            | |VT|       | kJ/mol  | |REFT|     | ``rotation``       | |BFX| | |BFX|    |
764            +------------+---------+------------+--------------------+-------+----------+
765            | |THET|     | degrees | |REFEQ|    | ``rotation``       | |BFX| | |BFX|    |
766            +------------+---------+------------+--------------------+-------+----------+
767            | |THETAV|   | degrees | |REF12|    | ``rotation``       | |BFX| | ``-``    |
768            +------------+---------+------------+--------------------+-------+----------+
769            | |THETFIT|  | degrees | |REF13|    | ``rotangles``      | ``-`` | |BFX|    |
770            +------------+---------+------------+--------------------+-------+----------+
771            | |YVEC|     | nm      | |REF14|    | ``rotslabs``       | ``-`` | |BFX|    |
772            +------------+---------+------------+--------------------+-------+----------+
773            | |TAUT|     | kJ/mol  | |REF15|    | ``rotation``       | |BFX| | ``-``    |
774            +------------+---------+------------+--------------------+-------+----------+
775            | |TAUTN|    | kJ/mol  | |REF15|    | ``rottorque``      | ``-`` | |BFX|    |
776            +------------+---------+------------+--------------------+-------+----------+
777
778
779
780
781 Angle of Rotation Groups: Fixed Axis
782 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
783
784 For fixed axis rotation, the average angle :math:`\theta_\mathrm{av}(t)`
785 of the group relative to the reference group is determined via the
786 distance-weighted angular deviation of all rotation group atoms from
787 their reference positions,
788
789 .. math::  \theta_\mathrm{av} = \left. \sum_{i=1}^{N} r_i \ \theta_i \right/ \sum_{i=1}^N r_i \ .
790            :label: eqnavangle
791
792 Here, :math:`r_i` is the distance of the reference position to the
793 rotation axis, and the difference angles :math:`\theta_i` are determined
794 from the atomic positions, projected onto a plane perpendicular to the
795 rotation axis through pivot point :math:`\mathbf{u}` (see
796 eqn. :eq:`%s <eqnproject>` for the definition of
797 :math:`\perp`),
798
799 .. math::
800
801    \cos \theta_i = 
802    \frac{(\mathbf{y}_i-\mathbf{u})^\perp \cdot (\mathbf{x}_i-\mathbf{u})^\perp}
803         { \| (\mathbf{y}_i-\mathbf{u})^\perp \cdot (\mathbf{x}_i-\mathbf{u})^\perp
804         \| } \ .
805
806 The sign of :math:`\theta_\mathrm{av}` is chosen such that
807 :math:`\theta_\mathrm{av} > 0` if the actual structure rotates ahead of
808 the reference.
809
810 Angle of Rotation Groups: Flexible Axis
811 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
812
813 For flexible axis rotation, two outputs are provided, the angle of the
814 entire rotation group, and separate angles for the segments in the
815 slabs. The angle of the entire rotation group is determined by an RMSD
816 fit of :math:`\mathbf{x}_i` to the reference positions
817 :math:`\mathbf{y}_i^0` at :math:`t=0`, yielding
818 :math:`\theta_\mathrm{fit}` as the angle by which the reference has to
819 be rotated around :math:`\hat{\mathbf{v}}` for the optimal
820 fit,
821
822 .. math::  \mathrm{RMSD} \big( \mathbf{x}_i,\ \mathbf{\Omega}(\theta_\mathrm{fit})
823            \mathbf{y}_i^0 \big) \stackrel{!}{=} \mathrm{min} \, .
824            :label: eqnrmsdfit
825
826 To determine the local angle for each slab :math:`n`, both reference
827 and actual positions are weighted with the Gaussian function of slab
828 :math:`n`, and :math:`\theta_\mathrm{fit}(t,n)` is calculated as in
829 eqn. :eq:`%s <eqnrmsdfit>` from the Gaussian-weighted
830 positions.
831
832 For all angles, the :ref:`mdp` input option
833 ``rot-fit-method`` controls whether a normal RMSD fit is
834 performed or whether for the fit each position
835 :math:`\mathbf{x}_i` is put at the same distance to the
836 rotation axis as its reference counterpart
837 :math:`\mathbf{y}_i^0`. In the latter case, the RMSD
838 measures only angular differences, not radial ones.
839
840 Angle Determination by Searching the Energy Minimum
841 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
842
843 Alternatively, for ``rot-fit-method = potential``, the angle
844 of the rotation group is determined as the angle for which the rotation
845 potential energy is minimal. Therefore, the used rotation potential is
846 additionally evaluated for a set of angles around the current reference
847 angle. In this case, the ``rotangles.log`` output file
848 contains the values of the rotation potential at the chosen set of
849 angles, while ``rotation.xvg`` lists the angle with minimal
850 potential energy.
851
852 Torque
853 ^^^^^^
854
855 The torque :math:`\mathbf{\tau}(t)` exerted by the
856 rotation potential is calculated for fixed axis rotation via
857
858 .. math:: \mathbf{\tau}(t) = \sum_{i=1}^{N} \mathbf{r}_i(t) \times \mathbf{f}_{\!i}^\perp(t) ,
859           :label: eqntorque
860
861 where :math:`\mathbf{r}_i(t)` is the distance vector from
862 the rotation axis to :math:`\mathbf{x}_i(t)` and
863 :math:`\mathbf{f}_{\!i}^\perp(t)` is the force component
864 perpendicular to :math:`\mathbf{r}_i(t)` and
865 :math:`\hat{\mathbf{v}}`. For flexible axis rotation,
866 torques :math:`\mathbf{\tau}_{\!n}` are calculated for
867 each slab using the local rotation axis of the slab and the
868 Gaussian-weighted positions.