Dynamics: Das Dynamics Body-Tag – Teil 4 – Die Kräfte-Rubrik

Tutorials 3. März 2016 – 0 Kommentare

Wir haben bereits einige Kräfte kennengelernt, die auf dynamische Objekte einwirken. Dazu zählen in der Regel die Gravitation und die Trägheit, die sich aus der Masse der Objekte ergibt. Später werden wir noch weitere Kräfte kennenlernen. Dennoch kann es nur über solche Kraftfelder recht schwierig sein, Objekte exakt nach eigenen Vorstellungen zu animieren. Stellen Sie sich z. B. eine Bowlingbahn vor, bei der die Kugel mit einer ganz bestimmten Geschwindigkeit, in einem ganz bestimmten Winkel eine ganz bestimmte Stelle treffen soll. Dafür wären Keyframes sicherlich viel besser geeignet, denn dort könnten wir die Bewegungsbahn der Objekte präzise vorgeben. Tatsächlich ist eine derartige Kombination zwischen dynamischen und über Keyframes angelegten Animationen auch über ein Dynamics Body-Tag möglich.

Die Kräfte-Einstellungen im Dynamics Body-Tag

Abbildung 4.22: Die Kräfte-Einstellungen im Dynamics Body-Tag

Der Wert für Position folgen gibt die Stärke einer virtuellen Feder an, die zwischen den verschiedenen Positionen des Objekts gespannt wird. Die eine Position ergibt sich z. B. durch die Position, die als Startzustand für das Objekt gespeichert wurde. Dies kann aber auch eine Position sein, die Sie über normale Keyframes animiert haben, als das Objekt noch kein Dynamics Body-Tag trug. Das andere Ende der virtuellen Feder wird an der Position festgemacht, an der die normale dynamische Simulation das Objekt gerne sähe. Je größer Sie nun den Wert für Position folgen angeben, desto stärker folgt das Objekt der Position aus den Keyframes bzw. dem Generator. Lassen Sie uns dies einmal ausprobieren. Starten Sie mit einer neuen Szene und legen Sie dort ein Kugel-Grundobjekt an. Vervielfältigen Sie diese Kugel mithilfe von Werkzeuge > Objekte anordnen > Duplizieren, wobei Sie z. B. zehn Kopien erstellen lassen, die im Modus Linear immer kleiner werden, ansonsten aber alle an der gleichen Stelle stehen. Sie erreichen dies, indem Sie das Aktiv-Häkchen in der Position-Rubrik ausschalten und dafür Größe aktiv in der Größe-Rubrik des Werkzeugs aktivieren. Tragen Sie dort z. B. 30% für alle drei Wertfelder ein. Die Kugeln verkleinern sich dadurch schrittweise mit jeder Kopie so, dass die letzte Kopie nur noch 30% der Originalgröße hat. Im Objekt-Manager ziehen Sie die Originalkugel mit unter das Null-Objekt, das durch das Duplizieren-Werkzeug automatisch erstellt wurde. Geben Sie diesem Null-Objekt ein Rigid Body-Tag in dem Sie unter der Kollision-Rubrik das Hierarchie-Menü auf Tag an Unterobjekte vererben schalten. Sie kennen dieses Vorgehen bereits von dem Beispiel mit der simulierten Glasscheibe, die beim Aufprall zersplittern sollte.

Die Ausgangsbasis dieser Testszene können Sie auch noch einmal in Abbildung 4.23 erkennen. Wenn Sie die Animation nun ablaufen lassen werden alle Kugel einfach nur auseinanderfliegen und dabei gleichzeitig durch die Gravitation nach unten gezogen. Die Kollisionserkennung toleriert die anfängliche Durchdringung der Kugeln nicht und schleudert diese daher wahllos in alle Richtungen fort. Schauen wir einmal, wie wir dies verhindern können.

Ausgangsbasis der Simulation mit schrittweise verkleinerten Kugel-Kopien

Abbildung 4.23: Ausgangsbasis der Simulation mit schrittweise verkleinerten Kugel-Kopien

Auf der Kräfte-Seite des Rigid Body-Tags erhöhen Sie Position folgen auf den Wert 1 und starten die Animation erneut. Die Kugeln werden anfangs zwar immer noch voneinander weggeschleudert. beruhigen sich dann jedoch wieder und bleiben wie an elastischen Fäden aufgehängt schließlich im Raum stehen. Dies ist auf der linken Seite von Abbildung 4.24 eingefangen. Wenn Sie Position folgen immer weiter erhöhen, verkürzen sich diese virtuellen Federn immer mehr und ziehen dadurch die Kugeln immer näher an ihre ursprüngliche Startposition heran. Dabei bleibt jedoch die Kollisionsberechnung aktiv. Ein möglicher Endzustand besteht daher aus einem eng gepackten Haufen Kugeln, die sich alle berühren. Die rechte Seite der Abbildung zeigt, wie dies aussehen könnte. Dies könnte also recht praktisch werden, immer wenn Sie realistische Verklumpungen von verschiedenen Objekten benötigen. Der Hauptnutzen ergibt sich jedoch erst wenn Sie Keyframes nutzen, um damit einzelne Objekte in einer dynamischen Animation gezielt zu steuern.

Mögliche Resultate bei Nutzung von Position folgen

Abbildung 4.24: Mögliche Resultate bei Nutzung von Position folgen

Das gleiche Prinzip wiederholt sich nun noch einmal mit dem Wert für Rotation folgen. Je höher der Wert ist, desto weniger Optionen hat das Objekt sich anders zu drehen, als es in den Keyframes oder durch seinen Startzustand festgelegt wurde.

Im Zusammenhang mit der Reibung und der Elastizität von Kollisionen hatten wir bereits darüber gesprochen, dass sich darüber Energie aus einer Simulation abzapfen lässt, um gleitende oder kollidierende Objekte über die Zeit abzubremsen. Was jedoch, wenn Objekte generell zu hektisch sind oder sich durch überlagernde Kraft-felder z. B. Geschwindigkeiten drohen aufzuschaukeln? Über die folgenden beiden Parameter lassen sich alle Bewegungen kontinuierlich abbremsen. Mit Lineare Dämpfung werden Bewegungen verlangsamt. Die Rotationsdämpfung ist dabei ausschließlich für Rotationen zuständig und gleicht das Fehlen eines Parameters für die Rollreibung aus. Bei hohen Werten wirken die Objekte in der Animation so, als müssten sie sich durch Gelee bewegen. Entsprechend zäh fallen die Bewegungen aus und kommen schnell wieder zur Ruhe. Da die Parameter animiert werden können, lässt sich durch eine kurzfristige Erhöhung jederzeit Bewegungsenergie abbauen, sollte sich ein Objekt unerwünscht schnell bewegen. Die Dämpfung kann auch dabei helfen, die Berechnung im Gleichgewicht zu halten. Bei zu geringer Rechengenauigkeit kann es zu Simulationen kommen, die sich immer stärker aufschaukeln, Das System „explodiert“ dann plötzlich. Zieht man rechtzeitig vorher über die Dämpfung gezielt Energie aus dem System, können solche Situationen entschärft werden.

Kommen wir nun zum Kräftemodus und der dazugehörenden Kräfteliste. Diese ermöglicht uns, viele der Partikel-Modifikatoren zu benutzen, die Sie unter Simulieren > Partikelsystem finden können. Dieses einfache Partikelsystem wurde bereits in Band 1 des Kompendiums ausführlich besprochen. Selbst wenn Sie es noch nicht kennen, ist die Bedienung recht einfach, zumal Sie mit dem Thinking Particles-System bereits ein sehr viel umfangreicheres und mächtigeres System kennengelernt haben. Die Modifikatoren werden normalerweise benutzt, um die Flugbahn der Partikel zu beeinflussen, die durch das Emitter-Objekt erzeugt wurden. Dabei werden typische Kraftfelder, wie z. B. Anziehung (Attraktor), Wind, Turbulenz, Rotation und Gravitation ebenso simuliert, wie der Energieverlust durch Reibung. Die Modifikatoren Reflektor und Vernichter können nicht mit Dynamics kombiniert werden. Alle Modifikatoren lassen sich durch Abnahme-Einstellungen gut räumlich begrenzen, was deren Einsatz besonders nützlich macht. Erstellen Sie z. B. eine Ebene als Boden und versehen Sie diese mit einem Kollisionsobjekt-Tag. Ein Würfel wird auf der Ebene platziert und mit einem Rigid Body-Tag belegt. Erstellen Sie nun zusätzlich ein Wind-Objekt aus dem Cinema 4D-Menü Simulieren > Partikelsystem und richten Sie dessen Z-Achse so aus, dass sie der gewünschten Windrichtung entspricht. Die Abbildung 4.25 stellt diese Szene nach.

Individuelle Kräfte mit Partikel-Modifikatoren ergänzen

Abbildung 4.25: Individuelle Kräfte mit Partikel-Modifikatoren ergänzen

In dieser Abbildung ist bereits zu erkennen, dass der Wind über eine kugelförmige Abnahme verfügt. Dadurch nimmt der virtuelle Wind automatisch mit der Entfernung zum Wind-Objekt ab, bis schließlich beim Erreichen des gelben Radius kein Wind mehr wirkt. Damit der Wind den Würfel nun tatsächlich vor sich herschieben kann, ziehen Sie das Wind-Objekt in die Kräfteliste des Rigid Body-Tags am Würfel hinein und wählen Einschließen als Kräftemodus. Mit dieser Einstellung werden alle Modifikatoren innerhalb der Kräfteliste ausgewertet. Damit der Würfel auch schön auf der Ebene gleiten kann, reduzieren Sie die Reibung in beiden Dynamics Body-Tags auf 10% und platzieren das Wind-Objekt schließlich direkt hinter dem Würfel. Wenn Sie die Animation nun starten, sollten Sie den Würfel, angeschoben durch den Wind, über die Ebene gleiten sehen. Die Intensität des Winds kann natürlich am Wind-Objekt beliebig angepasst werden. Sinnvolle Einstellungen hängen auch von der Größe und somit vom Gewicht Ihres Würfels ab.

Lassen Sie uns dieses Prinzip der Manipulation dynamischer Objekt noch weiter treiben. Rufen Sie ein zusätzliches Gravitation-Objekt auf, das Sie in der gleichen Modifikatorenliste finden. Wir wissen, dass die globale Gravitation unsere Objekte mit 1000 cm/s2 nach unten zieht. Soll ein Objekt kurzzeitig schwerelos werden oder gar abheben, könnten wir dies mit einer lokalen Gravitation umsetzen, die nach oben wirkt und stärker als die besagten 1000 cm/s2 ist. Platzieren Sie also das neue Gravitation-Objekt auf halber Strecke des Würfels und drehen Sie es so, dass dessen Y-Achse senkrecht nach unten zeigt. Dadurch wirkt die Gravitation dieses Objekts automatisch nach oben. In den Abnahme-Einstellungen der Gravitation wählen Sie die Form Würfel und korrigieren dessen Größe so, dass die Gravitation nur in einem kleinen Bereich auf den Würfel wirkt, während dieser auf der Ebene entlanggleitet. Die Beschleunigung der Gravitation sollte aus den genannten Gründen über 1000 cm liegen. Wir verwenden hier z. B. 1200 cm für einen ersten Testlauf (siehe Abbildung 4.26).

Ein zusätzliches Gravitation-Objekt mit Würfel-Abnahme

Abbildung 4.26: Ein zusätzliches Gravitation-Objekt mit Würfel-Abnahme

Ziehen Sie das neue Gravitation-Objekt schließlich ebenfalls in die Kräfteliste des Würfels hinein, und lassen Sie die Animation ablaufen. Der Start sollte unverändert den Würfel zeigen, wie dieser durch den Wind angetrieben auf die Reise geht. Kurz nach dem Eintreten in den Abnahmebereich der Gravitation sollte der Würfel dann aber plötzlich abheben und kurz darauf wieder auf die Ebene zurückfallen. Die folgende Abbildung 4.27 zeichnet diese Bewegungskurven mithilfe eines Darstellung-Tags nach.

Die nachgezeichneten Bewegungskurven der Würfelpunkte

Abbildung 4.27: Die nachgezeichneten Bewegungskurven der Würfelpunkte

Ich hoffe, das Prinzip der Modifikatoren innerhalb der Kräfteliste ist damit klar geworden. Sie haben dadurch also noch mehr Optionen für die Manipulation der Bewegungsbahnen dynamischer Objekte und können deren Verhalten nun noch individueller steuern. Die Kräfteliste muss dabei nicht unbedingt benutzt werden. Partikel-Modifikatoren wirken bereits, wenn der Kräftemodus auf Ausschließen geschaltet und die Kräfteliste leer gelassen wird. Hierbei wirken jedoch dann immer alle Modifikatoren der Szene auf alle dynamischen Objekte und können nur durch deren Abnahme-Einstellungen auf einzelne Objekte beschränkt werden. Die Option des Ein- oder Ausschließens einzelner Modifikatoren individuell in jedem Dynamics Body-Tag ist im Vergleich dazu sehr viel besser zu kontrollieren.

Aerodynamik

Normalerweise bewegen sich Objekte innerhalb eines Mediums, also z. B. der Luft. Auch dieses Medium übt Kräfte auf die Objekte aus, wenn sich entweder das Objekt oder z. B. die Luft selbst bewegen. Wir können da z. B. den Luftwiderstand und den Auftrieb unterscheiden. Auftrieb entsteht immer dann, wenn an einem Objekt unterschiedliche Fließgeschwindigkeiten auftreten. Ein Flugzeugflügel ist z. B. so geformt, dass die Luft auf seiner Oberseite einen längeren Weg zurücklegen muss als unter dem Flügel. In der Strömungsmechanik weiß man, dass unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten unterschiedliche Drücke zugeordnet werden können. Im Prinzip entsteht also oberhalb des Flügels ein niedrigerer Druck, durch den das Flugzeug im besten Fall nach oben gezogen wird. Der Luftwiderstand hingegen drückt auf die senkrecht zum Wind stehenden Flächen. Aus diesem Grund versucht man ja auch, Autos möglichst windschnittig zu konstruieren, damit dem Fahrtwind möglichst wenig Widerstand geboten wird. Sowohl der Luftwiderstand als auch der Auftrieb können auch mit Dynamics simuliert werden, da bereits in den Dynamics-Voreinstellungen eine Luftdichte vordefiniert ist. Probieren wir auch dies wieder an einem kleinen Beispiel aus. Erstellen Sie ein Zylinder-Grundobjekt und aktivieren Sie dort in der Ausschnitt-Rubrik die gleichnamige Option. Benutzen Sie dort die Winkel Von 90° und Bis 180°, um ein Viertel des ursprünglichen Zylinders abzubilden. Ändern Sie schließlich die Richtung des Zylinders auf +Z und ordnen Sie diesen unter einem neuen Array-Objekt ein. Verändern Sie den Radius im Array-Objekt so, dass eine Art Turbine entsteht (siehe folgende Abbildung 4.28).

Modellierung einer einfachen Turbine

Abbildung 4.28: Modellierung einer einfachen Turbine

Die stilisierte Turbine sollte parallel zur XZ-Ebene des Weltsystems liegen, so wie es rechts in Abbildung 4.28 zu sehen ist. Geben Sie nun dem Array-Objekt ein Rigid Body-Tag. Dort ist weiter nichts einzutragen oder zu verändern, da sich die Kopien der Zylinder wie ein Bauteil verhalten sollen und wir keine Kollisionserkennung benötigen werden. Konzentrieren Sie sich nun einmal auf die Ansicht von oben auf unsere Turbine und lassen Sie die Animation laufen. Die Turbine fällt gerade nach unten und behält in der Ansicht von oben ihre Lage. Der Fall ist also völlig frei von Kräften, die mit der Luft oder der Form des Objekts zusammenhängen.

Beenden Sie die Animation und verändern Sie nun im Rigid Body-Tag den Wert für den Auftrieb (siehe Abbildung 4.29).

Aktivierung von Auftrieb im Rigid Body-Tag

Abbildung 4.29: Aktivierung von Auftrieb im Rigid Body-Tag

Versuchen Sie es z. B. einmal mit einem Wert von 10% und lassen Sie die Animation erneut laufen. Die Turbine fällt erneut gerade nach unten. Diesmal können wir jedoch in der Ansicht von oben gut beobachten, wie sie dabei in eine Kreisbewegung gerät. Dies ist auf der rechten Seite der Abbildung 4.29 durch die Ghost-Überlagerungen eines Darstellung-Tags angedeutet. Die in Fallrichtung ungleichmäßige Form unserer Zylinder führt also dazu, dass unterschiedliche Drücke am Bauteil simuliert werden und das Ganze in Bewegung kommt. Eine Erhöhung des Luftwiderstands würde diesem Effekt wieder entgegenwirken und zudem die Fallgeschwindigkeit mildern, wie bei einem Fallschirm. Je größer die Fläche eines Objekts in Bewegungsrichtung, desto größer ist der Effekt des Luftwiderstands.

Dabei spielt es keine Rolle, ob sich das Objekt bewegt oder die Luft selbst. Wir haben ja bereits mit dem Wind-Modifikator eine Möglichkeit gefunden, selbst bewegte Luft zu erzeugen. Damit dieser Wind auch dynamisch für Luftwiderstand und Auftrieb genutzt werden kann, muss dort jedoch der Modus auf Aerodynamischer Wind umgeschaltet werden (siehe Abbildung 4.30).

Aerodynamischer Wind mit dem Wind-Modifikator

Abbildung 4.30: Aerodynamischer Wind mit dem Wind-Modifikator

Ich würde dies gerne mit unserer einfachen Turbine ausprobieren. Dazu müssen wir diese nur festhalten, um das Herunterfallen zu verhindern. Wir haben dafür ja bereits den Position folgen-Parameter kennengelernt. Tragen Sie dort z. B. einen Wert von 10 ein.

Platzieren Sie dann unterhalb der Turbine ein Wind-Objekt (Simulieren > Partikelsystem) und drehen Sie dies mit der Z-Achse nach oben. Dadurch weht der Wind von unten kommend durch die Turbinenblätter. Eine Windgeschwindigkeit von 10 cm sollte für einen ersten Versuch ausreichen. Denken Sie nur daran, den Modus im Wind-Objekt auf Aerodynamischen Wind umzuschalten, bevor Sie die Animation starten. Auch in diesem Aufbau sollten Sie nun beobachten können, wie die Turbine in Drehung gerät, diesmal jedoch durch Position folgen nicht herunterfällt.
Beide Effekte, sowohl Auftrieb als auch Luftwiderstand wirken standardmäßig nur auf die Außenseiten von Polygone. Das ist auch kein Problem, solange wir es mit Volumenkörpern zu tun haben, die vollständig geschlossen sind.

Drehen der Turbine durch Windkraft

Abbildung 4.31: Drehen der Turbine durch Windkraft

Bei einem Blatt Papier sieht das aber ggf. anders aus. In solchen Fällen aktivieren Sie die Option für Beidseitig, damit auch die Rückseite von Polygonen Auftrieb und Luftwiderstand erfahren kann. Sie finden diese Option ebenfalls in der Aerodynamik-Abteilung eines Dynamics Body-Tags.

Über den Autor

Dieses Tutorial ist ein Auszug aus dem CINEMA 4D-Kompendium zur Animation von Arndt von Koenigsmarck. Das komplette C4D-Kompendium mit über 950 Seiten Know-how als Download (PDF) gibt es hier: CINEMA 4D-Kompendium – Die Animation.

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