Dynamics: Das Konnektor-Objekt – Teil 2

Tutorials 23. Mai 2016 – 0 Kommentare

Das Kardan-Gelenk

Dieser Konnektor funktioniert wie eine Kombination aus zwei um 90° verdrehte Scharniere. Sie haben also zwei Richtungen, um die sich die Objekte drehen können. Aus diesem Grund gibt es bei diesem Gelenktyp daher auch zwei Winkellimits, die verwendet werden können. Als Versuchsaufbau schlage ich einen Windmesser vor, der sich bekanntlich als Propeller dreht, aber auch um eine Senkrechte in den Wind drehen kann.

Der Windmesser besteht aus zwei Objektgruppen, die ich in Abbildung 4.56 über Farben markiert dargestellt habe. Die beiden weißen Zylinder bilden ein statisches Element.

Animation in Cinema 4D - Konfiguration des Windmessers

Abbildung 4.56: Konfiguration des Windmessers

Ich habe also den kleinen Zylinder, der als Lager fungieren soll, unter dem langen Achs-Zylinder gruppiert. Der lange Zylinder erhält dann ein Kollisionsobjekt-Tag. Einen weiteren, quer durch den kleinen Lager-Zylinder verlaufenden Zylinder, habe ich horizontale Achse genannt. Dieser wurde blau gefärbt und mit einem Rigid Body-Tag versehen. Unter diesem Zylinder habe ich dann noch diverse Objekte gruppiert, die z. B. die Flügel des Windrads darstellen sollen. Ein Wind-Modifikator soll das Konstrukt in Bewegung bringen und wurde daher schräg von der Seite kommend ausgerichtet. Ein Kardan-Konnektor wird auf dem Kreuzungspunkt der beiden Zylinder platziert. Entsprechend der Färbungen am Konnektor weisen Sie die beiden Zylindergruppen zu. Objekt A wird an das gelbliche Scharnier gebunden. In meinem Fall ist dies also die senkrechte Achse. Das blaue Scharnier gehört zu Objekt B und ist somit die Propeller-Achse (siehe rechter Teil von Abbildung 4.56).

Denken Sie nun noch daran mit aerodynamischen Eigenschaften zu arbeiten, damit das Windrad tatsächlich in Rotation geraten kann. Am Wind-Objekt aktivieren Sie den Modus Aerodynamischer Wind und im Rigid Body-Tag der Propellerachse stellen Sie in den Kräften einen Auftrieb von 100% ein. Die folgende Abbildung 4.57 gibt diese Einstellungen noch einmal wieder.

Auf der seitlichen Bildsequenz erkennen Sie den gewünschten Effekt. In Abhängigkeit der Windrichtung beginnt der Propeller sich zu drehen und gleichzeitig rotiert die gesamte blaue Baugruppe um die senkrechte, weiße Achse.

Animation in Cinema 4D - Aerodynamische Einstellungen der Windrads und des Wind-Modifikators

Abbildung 4.57: Aerodynamische Einstellungen der Windrads und des Wind-Modifikators

Das Kugelgelenk

Kugelgelenke sind praktisch, wenn Sie keine Winkelbeschränkungen benötigen, sondern Sie einfach nur ein Objekt gelenkig an einem anderen befestigen möchten. Dies kann z. B. für ein Pendel genutzt werden, das völlig frei in alle Richtungen schwingen soll. Die folgende Abbildung 4.58 gibt dazu ein Beispiel. Dort sehen Sie einen senkrechten Zylinder, der ein Rigid Body-Tag trägt. Darunter ist eine Kugel einsortiert, die an dessen unterem Ende platziert wurde. Am oberen Ende steht ein Kugelgelenk-Konnektor. Ein Turbulenz-Modifikator sorgt dafür, dass das Pendel in verschiedene Richtungen gedrückt wird.

Animation in Cinema 4D - Der Kugelgelenk-Konnektor hält ein Pendel am oberen Ende fest.

Abbildung 4.58: Der Kugelgelenk-Konnektor hält ein Pendel am oberen Ende fest.

Das Ragdoll-Gelenk

Hierbei handelt es sich ebenfalls um ein Kugelgelenk, dass jedoch in seiner Beweglichkeit eingeschränkt wird. Über einen Kegelradius kann ein Trichter definiert werden, in dem die Kugel frei schwingen kann. Dieser Trichter wird auch im Ansichtsfenster angezeigt, was deren Einstellung vereinfacht. Durch Anhaken der Ellipse-Option kann auch eine elliptische Begrenzung genutzt werden, deren Maßstab durch den Kegelradius Y gesteuert wird.

Damit diese Winkelbeschränkungen bei unserer Pendel-Szene funktionieren können, muss der Pendel entweder als Objekt B eingetragen sein (mit leerem Objekt A-Feld) oder Sie benutzen für Objekt A ein zweites Objekt im Konnektor. Wie Sie an Abbildung 4.59 erkennen können, habe ich einen Würfel über dem Pendel platziert und diesen mit einem ausgeschalteten Rigid Body-Tag versehen, damit er nicht nach unten fallen kann. Würfel und Pendel werden dann wie gewohnt als Objekt A und Objekt B im Konnektor eingetragen. Eine weitere Besonderheit gilt es zu beachten. Der bislang von uns genutzte Modifikator, um das Pendel in Schwung zu bringen, verträgt sich nicht gut mit Winkelbeschränkungen. Hier scheinen die Prioritäten bei der Berechnung nicht abgestimmt zu sein. Wir verwenden daher im Rigid Body-Tag des Pendels eine Startwinkelgeschwindigkeit von 0°, 0°, 900°. Der Turbulenz-Modifikator löschen Sie also aus der Szene. Verändern Sie den Kugelradius nach Belieben und schalten Sie ggf. auch die Ellipse-Option hinzu, um die Beweglichkeit des Pendels innerhalb eines Ellipsoiden einzuschränken. Dieser ist in Abbildung 4.59 gelb eingezeichnet zu erkennen.

Animation in Cinema 4D - Einschränken der Pendelbewegung über ein Ragdoll-Gelenk

Abbildung 4.59: Einschränken der Pendelbewegung über ein Ragdoll-Gelenk

Die Federn-Einstellung drückt das Pendel aktiv von der Begrenzungsform weg, sollte es damit zu einer Kollision kommen. Dies wirkt dann, als wäre das Pendel mit einem Gummipuffer kollidiert. Im unteren Teil des Dialogs finden wir schließlich noch ein weiteres Winkellimit. Dies bezieht sich auf die Drehung um die Senkrechte unseres Pendels. Wie bereits bei den Scharnieren besprochen, werden dadurch zusätzliche Bereiche eingeblendet, die für diese Rotationsrichtung blockiert werden. Über die Von- und Bis-Vorgaben lässt sich auch dieser Winkelbereich einstellen. Lesen Sie bei Bedarf in den Beschreibungen des Scharnier-Konnektors nach, was diese Grenzwerte bedeuten und wie sie mit der Darstellung im Ansichtsfenster zusammenhängen.

Das Ragdoll-Gelenk ist sehr vielseitig einsetzbar und kann im Prinzip alle bislang besprochenen Gelenkarten ersetzen. In der Praxis wird es z. B. an den Gelenken einer Figur eingesetzt, denn reale Körpergelenke und deren Beweglichkeit lassen sich ebenfalls gut über die trichterförmigen Begrenzungen annähern. Ist Kollision ignorieren ausgeschaltet wird dann ein von der Gravitation nach unten gezogener Arm auch mit dem Oberkörper kollidieren können, selbst wenn die Innenwand des beschränkenden Kegels noch nicht erreicht wurde. Ragdoll-Simulationen von Gelenken werden regelmäßig in Computerspielen genutzt, wenn z. B. ein virtueller Gegner erschossen wird und anschließend einen Abhang oder eine Treppe hinunterstürzt.

Der Schiene-Konnektor

Ging es bei den bislang behandelten Konnektoren immer irgendwie um Winkel, so spielt dies beim Typ Schiene gar keine Rolle mehr. Eine Schiene funktioniert wie eine gerade Linie oder ein Gleis, auf dem sich Objekte verschieben lassen. Anstatt einer Winkelbeschränkung werden hierbei ein Unteres Limit Z und ein Oberes Limit Z angeboten, um die Länge dieser Schiene begrenzen zu können. Lassen Sie uns dies an unserer Pendel-Szene ausprobieren, die wir jedoch etwas erweitern müssen. Das Pendel soll daher einen Würfel treffen, der dann auf einer Schiene verschoben wird. Damit die Kollision zwischen dem Pendel und dem Würfel optimal berechnet werden kann, öffnen Sie das Rigid Body-Tag des Zylinders am Pendel und ändern Sie dort die Kollision-Einstellungen. Die Form sollte ein Bewegtes Mesh sein und per Hierarchie Zusammengesetzte Kollisionsform auch die Kugel am unteren Ende des Pendels erfassen. Auf der gleichen Dialogseite des Tags erhöhen Sie die Elastizität auf 100%, damit das Pendel bei den Kollisionen seine komplette Energie weitergibt. Die Reibung kann auf 0% abgesenkt werden. Der Schwerpunkt der Masse am Pendel sollte zudem in den unteren Teil verschoben werden, dort wo die Kugel liegt. Selektieren Sie hierfür die Kugel und merken Sie sich deren relative Y-Position zum übergeordneten Zylinder. In meinem Fall liegt die Kugel 60 cm auf der negativen Y-Achse des Zylinders verschoben. Folglich nutze ich den Schwerpunkt 0 cm, -60 cm, 0 cm in den Masse-Einstellungen des Zylinders. Diese Einstellungen sind auch in Abbildung 4.60 dokumentiert.

Animation in Cinema 4D - Modifikationen an den Einstellungen des Pendels

Abbildung 4.60: Modifikationen an den Einstellungen des Pendels

Im nächsten Schritt erstellen Sie einen neuen Konnektor und schalten dessen Typ auf Schiene um. Richten Sie dessen Lage parallel zum Boden Ihrer Szene aus und aktivieren Sie beide Optionen für Unteres Limit Z und Oberes Limit Z. Die nachfolgenden Von- und Bis-Werte können nun zur Begrenzung der Schiene benutzt werden. Ein neuer Würfel muss mit einem Rigid Body-Tag versehen werden und wird als Objekt B in den Dialog des Schiene-Konnektors gesetzt. Unter Objekt A eingetragen würde sich ansonsten die gesamte Schiene mit diesem Würfel mitbewegen, was in unserem Fall nicht gewollt wäre. Setzen Sie den Federn-Wert im Schiene-Konnektor auf 100%, damit der Würfel mit seiner vollen Energie auch von den Begrenzungen der Schiene wieder abprallen kann. Auch im Rigid Body-Tag des Würfels sollten 100% Elastizität für die Kollision genutzt werden. Selektieren Sie den Konnektor des Pendels und auch den Pendel-Zylinder und rotieren und platzieren Sie diese Objekte so, dass das Pendel nach dem Herunterschwingen den Würfel auf der Schiene trifft.

Diese Szene könnte dann wie in Abbildung 4.61 aussehen. Das Pendel trifft auf den Würfel, der sich auf der Schiene in Richtung des rechten Anschlags auf die Reise macht. Je nach seiner Energie prallt er von dort zurück und trifft ggf. erneut wieder auf den Pendel oder den gegenüberliegenden Anschlag der Schiene. Der Würfel bleibt dabei in seiner Ausrichtung die ganze Zeit über fixiert. Nur die Position kann sich entlang der Schiene verändern. Dies ist der Hauptunterschied zum Drehschiene-Konnektor.

Animation in Cinema 4D - Versuchsaufbau zum Testen des Schiene-Konnektors

Abbildung 4.61: Versuchsaufbau zum Testen des Schiene-Konnektors

Der Drehschiene-Konnektor

Auch bei dieser Einstellung geht es darum, die Beweglichkeit eines Objekts auf eine gerade Schiene zu beschränken. Das Objekt kann dabei jedoch zusätzlich um die Achse der Schiene rotieren. Für einen Testaufbau dazu lasse ich das Pendel aus der letzten Szene weg und ergänze dafür Rotorblätter am Würfel. Wir hatten diese bereits beim Beispiel des Kardan-Gelenks benutzt. Die Rotorblätter ordnen Sie einfach dem Würfel unter, der noch aus unserer Schiene-Szene stammt. Damit sich die Rotorblätter durch Wind antreiben lassen, wählen Sie in den Kollision-Einstellungen des Rigid Body-Tags als Hierarchie eine Zusammengesetzte Kollisionsform (siehe auch Abbildung 4.62).

Animation in Cinema 4D - Veränderungen am Rigid Body-Tag des Würfels auf der Drehschiene

Abbildung 4.62: Veränderungen am Rigid Body-Tag des Würfels auf der Drehschiene

Die Hierarchie-Einstellung wirkt sich nicht nur auf die Kollisionsberechnung, sondern auch auf die Aerodynamik aus. Auf diese Weise können auch die Rotoren z. B. auf Wind reagieren, obwohl diese Objekte keine eigenen Rigid Body-Tags tragen. Die eigentlichen aerodynamischen Eigenschaften editieren wir schließlich auf der Kräfte-Seite des Tags. Versuchen wir es dort z. B. mit einem Auftrieb von 10%. Den Konnektor der letzten Schiene schalten Sie auf den Typ Drehschiene um. Der Würfel sollte dabei nach wie vor als Objekt B geführt werden. Auch die Drehschiene ermöglich die Angabe von Unteres Limit Z und Oberes Limit Z, um die Wegstrecke auf der Schiene begrenzen zu können. Das Winkellimit beschränkt optional die Rotation um die Richtung der Schiene. Hierüber könnten Sie also festlegen, dass sich unser Ventilator nur um einen gewissen Winkelbetrag drehen kann und sich nicht frei um 360° rotieren lässt. Der Federn-Wert sorgt auch diesmal wieder dafür, dass ein Objekt von den definierten Begrenzungen der Beweglichkeit abprallt.

Nun benötigen wir nur noch einen Wind-Modifikator, den Sie unter Simulieren > Partikelsystem finden können. Richten Sie dieses Objekt mit seiner Z-Achse auf die Rotorblätter aus und nutzen Sie den Modus Aerodynamischer Wind in den Einstellungen des Wind-Objekts. Versuchen Sie es zuerst mit einer Windgeschwindigkeit von 10 cm. Wie in Abbildung 4.63 dokumentiert, sollte sich dadurch zuerst der Würfel samt dem dort untergeordneten Rotor in Richtung des dahinter liegenden Anschlags verschieben. Nach und nach gerät das System dabei aber auch in Rotation. Der Rotor beginnt sich im Wind zu drehen, während der hintere Anschlag den Würfel an einer weiteren Verschiebung hindert.

Animation in Cinema 4D - Versuchsaufbau eines durch Wind angetriebenen Ventilators

Abbildung 4.63: Versuchsaufbau eines durch Wind angetriebenen Ventilators

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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