Силы, импульсы и ограничения

Three.js сама по себе является библиотекой для рендеринга 3D-графики в браузере и не содержит встроенного физического движка. Для реализации сил, импульсов и ограничений часто используется интеграция с внешними физическими движками, такими как Cannon.js, Ammo.js или Oimo.js. Физические объекты создаются отдельно и синхронизируются с визуальными объектами Three.js.

Свойства физических объектов

Физический объект описывается следующими ключевыми параметрами:

  • Масса (mass) — определяет, как объект реагирует на силы и импульсы. Объект с нулевой массой считается статическим.
  • Положение (position) — координаты в пространстве, соответствующие mesh.position в Three.js.
  • Скорость (velocity) — вектор скорости, обновляющийся под действием сил.
  • Импульс (momentum) — произведение массы на скорость. В симуляциях часто используется для мгновенного изменения движения объекта.
  • Сила (force) — вектор, влияющий на ускорение объекта по закону Ньютона: F = m * a.

Применение сил и импульсов

Сила применяется непрерывно, изменяя скорость объекта с течением времени. Например, чтобы создать гравитацию:

const gravity = new CANNON.Vec3(0, -9.82, 0);
body.applyForce(gravity, body.position);

Здесь body — физическое тело, а applyForce принимает вектор силы и точку приложения (обычно центр масс).

Импульс изменяет скорость мгновенно:

const impulse = new CANNON.Vec3(0, 10, 0);
body.applyImpulse(impulse, body.position);

Импульс особенно полезен для моделирования столкновений, ударов или стартового движения объектов.

Ограничения (Constraints)

Ограничения используются для связывания объектов и управления их относительным движением. В физике Three.js через Cannon.js или Ammo.js доступны следующие типы:

  • Point-to-Point (P2P) / Ball Joint — соединяет две точки объектов, позволяя вращение вокруг соединения.
  • Hinge (шарнир) — фиксирует ось вращения между двумя объектами. Полезно для дверей, колес или рычагов.
  • Slider (линейный шарнир) — позволяет объекту двигаться вдоль одной оси с ограничениями.
  • Cone Twist — ограничивает вращение объекта в пределах конуса, применяется в скелетной анимации или манипуляторах.

Пример создания точечного соединения:

const pivotA = new CANNON.Vec3(0, 1, 0);
const pivotB = new CANNON.Vec3(0, -1, 0);
const constraint = new CANNON.PointToPointConstraint(bodyA, pivotA, bodyB, pivotB);
world.addConstraint(constraint);

Синхронизация с визуальными объектами

Физический движок оперирует собственными структурами данных, поэтому объекты Three.js необходимо синхронизировать на каждом кадре:

function animate() {
    world.step(timeStep);

    mesh.position.copy(body.position);
    mesh.quaternion.copy(body.quaternion);

    renderer.render(scene, camera);
    requestAnimationFrame(animate);
}

timeStep задаёт шаг симуляции (обычно 1/60 секунды). Для точности симуляции важно выбирать постоянный шаг времени.

Примеры применения

  1. Гравитация и падение объектов — использование постоянной силы вниз.
  2. Реактивные движения — применение мгновенного импульса для моделирования прыжков или выстрелов.
  3. Маятники и механизмы — ограничительные соединения, позволяющие моделировать колебания или вращения.
  4. Сложные структуры — цепочки тел с P2P и Hinge Constraints создают гибкие конструкции, такие как подвесные мосты.

Практические советы

  • Всегда синхронизировать позиции и кватернионы между физикой и Three.js, иначе объекты будут визуально расхождены.
  • При работе с большой массой объектов важно контролировать шаг симуляции, иначе могут возникнуть «пробивки» через коллайдеры.
  • Для экономии ресурсов можно использовать статические объекты без массы для сцены и динамические тела только для активных элементов.
  • Сочетание импульсов и ограничений позволяет создавать сложные интерактивные механики, например, катапульты или подвижные платформы.

Физика в Three.js через внешние движки открывает возможности реалистичного моделирования движения, сил и ограничений, обеспечивая гибкость при создании интерактивных 3D-сцен.

Оглавление