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Physiksimulation

Teaser Physiksimulation

Oftmals werben Spielehersteller mit eindrucksvollen Grafiken und wunderbar animierten Charakteren, die sich in weitläufigen, freien Spielewelten bewegen. Doch ein weiterer Aspekt, der sehr das Spielerlebnis beeinflussen kann, ist die Physik. Ein noch so gut designtes Spiel kann trotzdem unrealistisch wirken, wenn Objekte nicht den allgegenwärtigen Physikgesetzen gehorchen. Dazu gehört beispielsweise, dass ein Ball, der in die Luft geworfen wird, durch die Schwerkraft auch wieder zurückfällt. Ein weiteres prominentes Exempel ist Battlefield 3. Darin können Panzer mit recht kleinen Explosionen viele Meter durch die Luft geschleudert werden.

Deswegen ist es lohnenswert, sich mit Physiksimulation auseinanderzusetzen. Im Vortrag wird dies anhand starrer Körper erklärt. Beginnend mit der Wirkung von Kräften über die daraus resultierenden Bewegungen und Rotationen bis hin zur Kollisionsbehandlung wird ein kleiner Einblick gegeben. Dabei helfen einfache Gleichungen aus den Bereichen der Kinematik und Dynamik.

 

Kräftewirkung auf starre Körper

Zunächst betrachten wir die Ursache jeder Bewegung: Kräfte. Bereits Newton hat einen Zusammenhang zwischen Kraft und Beschleunigung eines Körpers hergestellt (F = m * a). Über einige Differenzialgleichungen lässt sich daraus für (starre) Objekte berechnen, wie sie sich bewegen und rotieren.

Um das Verständnis zu erleichtern, ist dieser Abschnitt in 2D und 3D unterteilt. So wird der physikalische Hintergrund zunächst im Zweidimensionalen erklärt und dann mathematisch noch um eine Dimension erweitert.

 

Kollisionen

Oft stoßen Objekte gegeneinander. Beispielsweise fährt ein Auto während eines Straßenrennens in einen geparkten Wagen am Straßenrand. Wie bewegen sie sich nach dem Unfall? Bricht das Fahrzeug aus oder schlittert es nur? Das sind Fragen, die in den Bereich der Kollisionsbehandlung fallen.

Bevor es allerdings um die Folgen von Zusammenstößen geht, müssen diese erst einmal erkannt werden. Dazu brauchen wird ein Kollisionsdetektor benötigt, der die wichtigsten Informationen zum Aufprall liefert. (Die Detektion an sich ist eigentlich ein geometrisches Problem und wird nicht im Detail besprochen.)

Schließlich geht es um die Kollisionsbehandlung. Wie bewegen sich die Objekte nach dem Aufprall? Dazu werden die Informationen des Zusammenstoßes ausgewertet und der Impuls der Körper betrachtet. Daraus lassen sich dann Geschwindigkeiten und Rotationen der einzelnen Körper in Abhängigkeit ihrer Masse berechnen.

 

Folgende Links führen zu Artikeln und Paper mit weiterführenden Informationen: