Dynamics: Das Feder-Objekt

Bei der Besprechung der Konnektoren haben wir bereits einige Funktionen gesehen, die etwas mit Federungen zu tun haben. So gab es dort das Zurückfedern von Begrenzungen oder im Fall der Radfederung sogar ganz konkret das Wirken einer Federkraft. Die klassische Metallfeder gibt es jedoch auch als separates dynamisches Objekt. Sie finden dies unter Simulieren > Dynamics. Klassische Federn werden immer dann verwendet, wenn Kräfte zwischen zwei Objekten eingebracht werden sollen. Federn können Objekte voneinander wegdrücken oder zueinander ziehen. Diese Wirkung entspricht dem Typ Linear an dem Feder-Objekt. Es können jedoch auch Drehfedern simuliert werden, wie sie z. B. in mechanischen Uhrwerken verwendet werden. Wie bei den Konnektoren finden Sie auch diesmal wieder Einträge für Objekt A und Objekt B. Deren Bindung kann wie beim Konnektor an den Massenschwerpunkt, an eine Punktselektion oder an einen Polygonpunkt erfolgen. Als Besonderheit des Feder-Objekts wird zusätzlich ein Offset für die Bindung angeboten. Dabei wird ein Vektor zur Verfügung gestellt, der jeweils vom Massenschwerpunkt des Objekts aus berechnet wird. Auf diese Weise kann dann die Feder auch an einer Stelle weit außerhalb oder innerhalb des Objekts festgemacht werden.

Die Linear-Feder

Dieser Typ wird sicherlich am häufigsten verwendet, denn er simuliert eine klassische Spiralfeder, die auf Zug oder Druck reagiert. Nachdem die Objekte für Objekt A und Objekt B zugewiesen wurden, ist es besonders wichtig, dass Sie die Ruhelänge der Feder berechnen und eintragen lassen. Hierfür klicken Sie auf die Schaltfläche für Ruhelänge setzen. Andernfalls wird ggf. eine Ruhelänge benutzt, die nichts mit dem aktuellen Abstand zwischen den Objekten zu tun hat. In dem Fall ist die Feder bereit am Anfang der Simulation gespannt oder gestaucht und wird daher ab dem ersten Bild bereits die Objekte aktiv voneinander wegdrücken oder aufeinander zu beschleunigen. Alternativ hierzu ist es auch möglich, den Eintrag für Objekt A offen zu lassen und nur Objekt B zu benutzen. Die Feder kann dann an beliebiger Stelle platziert werden, als wäre ihr offenes Ende im Raum fixiert. Die Abbildung 4.70 zeigt so ein Beispiel. Die an der Feder hängende Kugel wird sich dabei wie an einem elastischen Pendel verhalten.

Animation in Cinema 4D - Das dynamische Feder-Objekt

Abbildung 4.70: Das dynamische Feder-Objekt

Wie beim Konnektor ist es jedoch in jedem Fall wieder zwingend, dass alle an der Feder aufgeführten Objekte auch Dynamics Body-Tags haben. Nur so erhalten die Objekte eine Masse und können dynamisch miteinander interagieren.

Was die Eigenschaften der Feder angeht, so werden diese hauptsächlich über ihre Härte und Dämpfung bestimmt. Je härter eine Feder ist, desto stärker widersetzt sich diese einer Längenveränderung. Sehr große Härte lässt eine Feder dann eher wie eine unflexible Stange wirken. Eine Feder mit größerer Härte führt zudem schnellere Schwingungen aus. Im Umkehrschluss bedeutet dies, dass eine geringe Härte zu ausgeprägten und langsameren Schwingungen führt. Hier kommt die Dämpfung ins Spiel, die eben diese Schwingungen ausbremsen kann. Eine große Dämpfung führt zu einem schnelleren Abebben der Schwingungen. Im Prinzip nimmt die Dämpfung also Energie aus dem dynamischen System.

Bei der Betrachtung der Soft Body Dynamics haben wir bereits über plastische und elastisch Verformung gesprochen. Eine elastische Verformung liegt immer dann vor, wenn ein Objekt nach dem Wegfall der wirkenden Kräfte wieder in seine ursprüngliche Form (siehe Ruhelänge der Feder) zurückfindet. Wird jedoch diese Grenze überschritten, bleibt zumindest ein Teil der Verformung permanent. Es bleibt eine plastische Verformung. Sie kennen dies von der kleinen Feder aus Kugelschreibern oder auch von dem Draht einer Büroklammer. Geringe Biegungen oder Verlängerungen machen diesen Objekten nichts aus. Bei größerer Kraft verbiegt sich jedoch die Büroklammer oder aber die kleine Feder kann nicht mehr in ihre ursprüngliche Form zurückfinden. Derartiges Verhalten lässt sich auch an der dynamischen Feder simulieren über Elastische Dehnungsgrenze und Elastische Druckgrenze. Beide Angaben beziehen sich relativ auf die Ruhelänge. Wird also die Feder ausgehend von ihrer Ruhelänge um mehr als bei Elastische Druckgrenze angegeben gestaucht oder um mehr als bei Elastische Dehnungsgrenze gedehnt, kann sie Kräfte nicht mehr vollständig weiterleiten.

Wie schon am Fixiert-Konnektor besprochen, kann eine Feder auch zerbrechen. Dies führt dazu, dass sich die beteiligten Objekte anschließend völlig unabhängig voneinander weiter bewegen können. Das Zerbrechen kann unabhängig voneinander für eine Dehnung oder einen Druck definiert werden. Hierfür stehen Brechende Dehnung und Brechender Druck zur Verfügung. Anders als noch beim Konnektor wird auch hier mit Entfernungen gearbeitet, die wieder relativ zur Ruhelänge berechnet werden. Oft ist es jedoch praktischer, den Bruch einer Feder manuell auszulösen. Wir hatten dies bereits am Konnektor vorgeführt bekommen. Auch die Feder kann über XPresso derart gesteuert werden. Dort benötigen wir jedoch einen anderen Node, nämlich den Dynamics Federstatus, den Sie ebenfalls unter Neuer Node > Dynamics finden können. Dieser bietet einen Eingang für Brechen, über den Sie ein TRUE-Signal anlegen können, wenn die Feder brechen soll. Alternativ hierzu kann diese Brechen-Option auch direkt im Attribute-Manager per Keyframes animiert werden. Wundern Sie sich auch bei diesem Node nicht über das Objekt-Feld im Attribute-Manager. Dieses wird auch dann noch angezeigt, wenn der Objekt-Eingang am Node bereits mit einem Objekt verbunden wurde. Dieses kleine Fehlverhalten konnten wir bereits am Dynamics Konnektorstatus beobachten. Die folgende Abbildung 4.71 gibt so einen XPresso-Aufbau zum manuelle Brechen einer Feder wieder.

Animation in Cinema 4D - Manuelles Brechen einer Feder über XPresso

Abbildung 4.71: Manuelles Brechen einer Feder über XPresso

Die Winkel-Feder

Diese Feder simuliert die Art Feder, die wir z. B. noch in mechanischen Uhrwerken finden können. Dabei besteht die Kraftwirkung bezüglich eines Winkels zwischen zwei Objekten und hat somit weniger mit dem Abstand der Objekte voneinander zu tun. Dieser spezielle Typ Feder kann daher auch nicht zur Fixierung eines Objekts genutzt werden, so wie wir es noch mit der linearen Feder durchgeführt haben. Damit die Objekte nicht durch die Gravitation herunterfallen können sollte also zumindest noch ein Scharnier-Konnektor mit im Spiel sein und eines der beteiligten Objekte sollte ausgeschaltete dynamische Eigenschaften besitzen. Die in der folgenden Abbildung 4.72 dargestellte Szene stellt hierzu ein Beispiel zur Verfügung.

Dort sehen Sie zwei schlanke Würfel, in deren Verlängerung der lokalen Y-Achsen eine Winkel-Feder platziert wurde. An gleicher Stelle wurde auch ein passend gedrehtes Scharnier verwendet, in dem ebenfalls beide Würfel eingetragen wurden. Der obere Würfel hat ausgeschaltete dynamische Eigenschaften, hält also das gesamte System fest.

Bei der Konfiguration der Winkel-Feder ist wichtig auf die Achsrichtungen der zugewiesenen Objekte zu achten. Da in diesem Fall die beiden Y-Achsen exakt auf die Positionen der Feder und des Scharniers ausgerichtet wurden, kann auch Objekt-Y-Achse für die Referenzachsen von Objekt A und Objekt B eingestellt werden. Die Bindung kann wie von der linearen Feder und den Konnektoren bekannt über verschiedene Elemente der Objekte erfolgen. In diesem Fall funktioniert die Einstellung Massenschwerpunkt bereits ausreichend gut. Neu an dieser Art Feder ist die Wahlmöglichkeit im Wirken auf-Menü. Sie können hier wählen, ob beide Objekte oder jeweils nur Objekt A oder Objekt B von der Federkraft beeinflusst werden sollen. Da Objekt A in unserem Fall festgehalten wird, machen nur Auf beide oder Nur auf B Sinn und liefern auch gleiche Ergebnisse.

Wie bei der linearen Feder sollten Sie nach der Platzierung der beiden Objekte auf der gewünschten Starposition die Schaltfläche für Ruhewinkel setzen benutzen. Dies ermittelt automatisch den aktuellen Winkel zwischen den Objekten und trägt diesen als Ruhewinkel ein. Damit sind diese Objekte aus Sicht der Feder erst einmal kraftfrei verbunden. Die folgenden Parameter für Härte, Dämpfung, sowie die elastischen und die brechenden Grenzen entsprechen in ihrer Wirkung den gleichlautenden Parametern einer linearen Feder. Einziger Unterschied bei den Grenzwerten für die plastische Verformung und die Brechung ist, dass hier Winkel eingetragen werden müssen, die relativ zum Ruhewinkel ausgewertet werden und keine Längen. Das Brechen der Feder kann ansonsten auch hier wieder über XPresso und einen Dynamics Federstatus-Node manuell ausgelöst werden.

Bei dem Beispiel aus Abbildung 4.72 werden Sie beobachten können, wie der rechte Würfel zuerst über das Scharnier gelagert nach unten schwingt, dann jedoch durch die Feder auch wieder aufwärts, in Richtung des senkrechten Würfels pendelt. Die Härte dieser Winkel-Feder gibt die Amplitude dieser Schwingung vor. Eine große Härte reduziert automatisch die Beweglichkeit des seitlichen Würfels. Entsprechend führt das Erhöhen der Dämpfung dazu, dass eine Schwingung schneller zur Ruhe kommt.

Der Feder-Typ Linear und Winkel

Der dritte Modus eines Feder-Objekts bietet eine Kombination aus Drehfeder und linearer Feder. Hier wiederholen sich daher auch nur die bereits bekannten Parameter der Linear-Feder und der Winkel-Feder. Sowohl Ruhelänge als auch Ruhewinkel lassen sich getrennt voneinander setzen, wie auch Härte und Dämpfung der beiden beteiligten Federarten. Über die Einstellungen für Brechende Dehnung und Brechender Druck lassen sich getrennte Werte für den linearen und den Winkel-Federanteil vergeben. Egal, ob das Brechen einer linearen Feder oder der Winkel-Feder ausgelöst wird, im eines Bruchs werden immer beide Federn entfernt. Eine manuelle Auftrennung der Federn über XPresso ist daher auch nur gemeinschaftlich möglich. Dort steht nur ein Brechen-Wert zur Verfügung, der beide Federtypen auf einen Schlag deaktiviert.

Interessant an den brechenden Grenzwerten im Dialog der Feder ist, dass sich eine Feder auch wieder magisch reparieren kann, wenn über XPresso ein entsprechendes Signal an den Brechen-Eingang des Dynamics Federstatus-Nodes gesendet wird. Dies lässt sich an unserem Beispiel der stilisierten Zeiger aus Abbildung 4.72 schön beobachten.

Animation in Cinema 4D - Beispiel für der Nutzung einer Winkel-Feder

Abbildung 4.72: Beispiel für der Nutzung einer Winkel-Feder

Stellen Sie hierfür zuerst den Typ der Feder auf Linear und Winkel um, so wie es auch in Abbildung 4.73 zu erkennen ist.

Animation in Cinema 4D - Linear und winkel-Federn zwischen den gelagerten Würfeln

Abbildung 4.73: Linear und winkel-Federn zwischen den gelagerten Würfeln

Sie erkennen daraufhin eine zusätzliche lineare Feder zwischen den Massenschwerpunkten der Würfel. Lassen Sie deren Ruhelänge am Anfang der Animation berechnen und spielen Sie dann die Animation ab. Der rechte Zeiger wird sich aufgrund der zusätzlichen Federkraft nicht mehr so weit nach unten bewegen wie noch zuvor. Erlauben Sie sich nun den Spaß und reduzieren Sie die Ruhelänge der linearen Feder etwas. Dadurch wird diese Feder praktisch vorgedehnt und wird beim Starten der Animation eine noch stärkere, ziehende Kraft zwischen den Würfeln aufbauen. Dadurch wird die Winkel-Feder zusammengedrückt. Dies wiederum können wir nutzen, um Brechender Druck für die Winkel-Feder einzusetzen. Tragen Sie dafür einen kleinen Wert, wie z. B. 1° ein. Beim Abspielen der Animation wird der rechte Zeiger zuerst in Richtung des oberen Würfels gezogen, wodurch dann die Federn brechen und somit wirkungslos werden. Der rechte Würfel schwingt dadurch um das Scharnier wieder nach unten. Durch die XPresso-Schaltung bilden sich dabei die Federn neu, da der Brechende Druck wieder unterschritten wird. Es folgt ein lustiges Auf und Ab, mal mit mal ohne Beteiligung von Federn.

Die Darstellung-Optionen der Federn

Wie auch bei den Konnektoren, lassen sich die symbolhaften Darstellungen der Federn immer nur beobachten, wenn das Feder-Objekt ausgewählt wurde. Möchten Sie diese Formen permanent in den Ansichtsfenstern sehen, aktivieren Sie Immer sichtbar in der Darstellung-Rubrik der Feder. Die Radien der Federdarstellungen können über Größe beeinflusst werden. Beide Vorgaben haben ansonsten nichts mit der Funktion der Federn zu tun.

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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