Im vorherigen Teil des Unity Physics Tutorial haben wir die Joint- und Constraint-Komponente betrachtet. Zur physikalischen Simulation sind diese beiden Komponenten sehr wichtig. Sie ermöglichen die Verbindung von unterschiedlichen Rigidbodies und legen zugleich deren Interaktion fest. Dadurch kannst du komplexe physikalische Verhaltensweisen erstellen.
Ein weiterer Aspekt, der zu realistischen Physiksimulationen beiträgt, ist die Integration von Kräften und Bewegungen. Unity Physics erlaubt es, genau diese Konzepte in deinen Anwendungen zu simulieren. Von fliegenden Raumschiffen über fallende Blätter bis hin zu charakterbasierten Bewegungen erhöhen Kräfte und Bewegungen den Realismus.
In diesem Teil des Tutorials erkläre ich dir grundlegenden Prinzipien und die praktische Anwendung von Kräften und Bewegungen auf GameObjects. Tauchen wir gleich ein in die Welt der Kräfte und Bewegungen und erkunden, wie sie die Grundlage für Physiksimulationen bilden.
Übersicht Unity Physics Tutorial
Kräfte und Bewegungen
Bei der Entwicklung von Spielen und Anwendungen sind Kräfte und Bewegungen grundlegende Konzepte, die eine realistische Umgebung schaffen. Unity Physics bietet dir eine umfangreiche Palette an Werkzeugen, um diese Konzepte auf GameObjects anzuwenden und Bewegungen zu simulieren. Lass uns gleich damit starten, indem wir uns die Grundlagen zu Kräften in der Physik ansehen…
Hinweis: Mit dem ultimativen Unity Cheat Sheet erhältst du einen detaillierten Überblick über Tipps & Tricks mit dem Umgang von Unity. Sichere dir jetzt das Cheat Sheet, um deine Anwendungen noch einfacher und effektiver erstellen zu können!
Kräfte in der Physik-Simulation
Kräfte sind sowohl in der realen als auch in der digitalen Welt essentiell. Besonders bei der Entwicklung von realistischen Anwendungen sind sie das Herzstück zur realistischen Simulation der Physik. Unity Physics nutzt die Newton’sche Gesetze der Bewegung, um die Wechselwirkungen zwischen Objekten zu modellieren. Lass uns einen kleinen Exkurs in die Physik machen, indem wir uns die 3 Gesetze ansehen.
1. Newtonsches Gesetz (Trägheitsgesetz)
Das erste Newtonsche Gesetz besagt, dass ein Objekt in Ruhe verharrt oder sich mit konstanter linearer Geschwindigkeit bewegt, solange keine äußere Kraft einwirkt. Anders ausgedrückt: Ein Objekt bleibt in seinem aktuellen Zustand der Bewegung (sei es in Ruhe oder gleichmäßiger Bewegung), solange keine andere Kraft diese Bewegung ändert.
Du kannst dabei einfach an ein Objekt in der Schwerelosigkeit im Weltraum denken. Ohne eine äußere Kraft verharrt es in Ruhe. Bewegt sich das Objekt mit gleichmäßiger Geschwindigkeit, dann ist das solange der Fall, bis eine äußere Kraft einwirkt.
2. Newtonsches Gesetz (Aktionsprinzip)
Das zweite Newtonsche Gesetz erklärt die Beziehung zwischen Kraft, Masse und Beschleunigung. Es besagt, dass die resultierende Kraft auf ein Objekt direkt proportional zur Masse und Beschleunigung des Objekts ist. Oder die Beschleunigung eines Objekts ist direkt proportional zur wirkenden Gesamtkraft und umgekehrt proportional zu seiner Masse. Die Formel lautet: F = m * a, wobei F die resultierende Kraft, m die Masse des Objekts und a die Beschleunigung ist.
3. Newtonsches Gesetz (Wechselwirkungsgesetz)
Das dritte Newtonsche Gesetz beschreibt das Prinzip der Wechselwirkung. Es besagt, dass jede Aktion eine gleichwertige und entgegengesetzte Reaktion hervorruft. Wenn ein Objekt A auf ein Objekt B eine Kraft ausübt, übt Objekt B eine gleich große, aber entgegengesetzte Kraft auf Objekt A aus. Das verdeutlicht, dass Kräfte immer paarweise auftreten, jedoch auf verschiedene Objekte wirken.
Diese drei Gesetze bilden das Fundament der klassischen Mechanik. Sie sind von entscheidender Bedeutung für das Verständnis der Bewegung und Interaktion von Objekten in der physikalischen Welt. Sei es im realen Leben oder in der Simulation von Spielen und Anwendungen.
Arten von Kräften
Kräfte sind unsichtbare Einflüsse, die die Geschwindigkeit, die Richtung oder die Position von Objekten beeinflussen. Sie sind unter anderem verantwortlich für die Schwerkraft und die Erzeugung von Geschwindigkeit und Richtungsänderungen. Unity Physics erlaubt es, eine Vielzahl von Kräften auf GameObjects anzuwenden, um komplexe Verhaltensweisen und Bewegungen zu simulieren.
Es gibt verschiedene Arten von Kräften, die du in Unity Physics verwenden kannst. Die Schwerkraft ist eine der grundlegenden Kräfte, die auf alle Objekte in der Szene wirkt. Eine Zugkraft lässt sich verwenden, um Objekte zu bewegen. Reibungskräfte hingegen erhöhen den Widerstand gegen eine Bewegung. Zusätzlich zu diesen grundlegenden Kräften ermöglicht Unity Physics benutzerdefinierte Kräfte, um verschiedene Effekte zu erstellen.
Kräfte sind aber nicht nur auf Bewegungen beschränkt. Sie spielen auch eine entscheidende Rolle bei Kollisionen und Interaktionen zwischen Objekten. Wenn zwei Objekte kollidieren, wirken Kräfte auf sie ein, um die Bewegung nach den Gesetzen der Physik zu beeinflussen. Das ermöglicht eine realistische Stoßdämpfung und Bounce-Effekte.
Unity Physics Kiste schieben
Ein Beispiel für die Anwendung von Kräften ist das Schieben einer Kiste über den Boden, wie in der oberen Abbildung zu sehen. Durch das Anwenden einer Kraft auf die Kiste wird sie in Bewegung versetzt. Sie bleibt solange in Bewegung bis eine entgegengesetzte Kraft ihre Bewegung verlangsamt.
Hier wirkt immer eine Reibungskraft entgegen, wenn in den Collidern ein entsprechendes Physik-Material mit Reibung konfiguriert ist. Ein weiteres Beispiel ist die Simulation eines fallenden Objekts. Würde die Kiste nach oben verschoben werden, sodass es in der Luft schwebt, dann fällt es beim Start der Anwendung durch die Schwerkraft nach unten. Es wird also kontinuierlich beschleunigt, bis es den Boden erreicht.
Grundlegende Bewegungskonzepte
In Unity Physics sind grundlegende Bewegungskonzepte die Bausteine, auf denen die gesamte Bewegungssimulation aufbaut. In diesem Abschnitt wollen wir uns diese Konzepte und deren Bedeutung näher ansehen.
Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung
Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung sind die grundlegenden Parameter, die die Bewegung eines Objekts definieren. Die Position gibt an, wo sich ein Objekt in der Szene befindet. Es besitzt immer Koordinaten, um es eindeutig zu platzieren. Die Geschwindigkeit beschreibt die Änderung der Position pro Zeiteinheit. Die Beschleunigung hingegen beschreibt die Änderung der Geschwindigkeit pro Zeiteinheit. Diese Parameter interagieren, um die Bewegung eines Objekts zu steuern und zu gestalten.
Ein- und Mehrdimensionale Bewegung
In der einfachsten Form bewegt sich ein Objekt entlang einer einzigen Achse. Die Geschwindigkeit kann positiv oder negativ sein. Je nachdem, ob sich das Objekt nach oben/rechts oder unten/links bewegt. Die Beschleunigung kann die Geschwindigkeit erhöhen (Beschleunigung) oder verringern (Verzögerung), was zu einer gleichmäßigen oder variablen Bewegung führt.
Objekte können sich aber nicht nur auf einer Achse bewegen, sondern auch in einem dreidimensionalen Raum. Hier kommen die Konzepte von Vektoren ins Spiel, um die Richtung und Intensität der Bewegung zu definieren. Die Bewegung in einem dreidimensionalen Raum ermöglicht die Erstellung von komplexen Flugbahnen, Rotationen und interaktiven Bewegungen.
Anwenden von Kräften auf Rigidbodies
Das Anwenden von Kräften auf Rigidbody-Komponenten ist wichtig, um Bewegungen in einer Szene zu erzeugen. Unity bietet verschiedene Möglichkeiten, um Kräfte auf Rigidbodies anzuwenden. Dazu zählt der Einsatz des Physik-Editors im Editor und die Verwendung von Skripten. In diesem Abschnitt erfährst du, wie du Kräfte auf Rigidbodies anwenden kannst.
Direkte Anwendung von Kräften in Unity
Kräfte können in Unity direkt im Editor auf Rigidbodies angewandt werden. Dadurch ist es möglich auf den Einsatz von Skripten zu verzichten. Besonders für schnelle Tests und einfache Interaktionen ist das wertvoll. Um das durchzuführen, kannst du die folgenden Schritte durchführen:
- Rigidbody erstellen: Im ersten Schritt ist es wichtig dem GameObject eine Rigidbody-Komponente hinzuzufügen. Navigiere dazu zum entsprechenden GameObject und wähle Add Component → Rigidbody.
- Voreinstellungen: Wähle anschließend die Rigidbody-Komponente aus, um die Physik Optionen zu sehen. Hier findest du die Option Use Gravity und Is Kinematic. Is Kinematic muss deaktiviert sein, sodass das Objekt auf Kräfte reagiert.
- Kräfte anwenden: Füge über Add Component → Constant Force eine Kraft im GameObject hinzu. Dabei ist es ebenso möglich, die Kraft in verschiedene Richtungen anzuwenden. In der unteren Abbildung wird eine Kraft von 20 in x-Richtung gewählt. Außerdem kann ein Drehmoment unter Torque getestet werden. Die Komponente Constant Force ist nicht nur zum Testen, sondern auch für eine konstante Kraft auf ein GameObject anwendbar.
- Testen: Starte die Szene über den Play-Button. Danach sollte die Kraft auf das GameObject angewandt werden. Du kannst ebenso die Kräfte oder Drehmomente verändern, um den Effekt in Echtzeit zu sehen.
Direkte Anwendung von Kräften in Unity
Kräfte durch Skripte anwenden
Die beste und flexibelste Methode, Kräfte auf Rigidbodies anzuwenden, ist aber die Verwendung von Skripten. Damit kannst du die genaue Steuerung über die Art und Weise, wie Kräfte wirken, erreichen. Ein einfaches C#-Skript für eine Kraft auf die Kiste könnte beispielsweise wie folgt aussehen:
using UnityEngine;
public class PushBoxExample: MonoBehaviour
{
// Variable für den Parameter der Kraft
public float forceAmount = 10.0f;
// Variable für Rigidbody-Komponente
private Rigidbody box;
void Start()
{
box = GetComponent<Rigidbody>();
}
void Update()
{
// Durch Drücken der Leertaste wird eine Kraft als Impuls auf die Kiste angewandt
if (Input.GetKeyDown(KeyCode.Space))
{
// Richtung der Kraft (positive x-Richtung)
Vector3 forceDirection = transform.right;
// Stärke der Kraft als Impuls
box.AddForce(forceDirection * forceAmount, ForceMode.Impulse);
}
}
}
Dieses Skript bewirkt, dass durch Drücken der Leertaste eine Kraft auf die Kiste angewandt wird. Die Richtung der Kraft ist mit transform.right in positive x-Richtung definiert. Die Größe der Kraft ist zu Beginn auf 10 festgelegt. Sie kann optional auch über den Parameter im Inspektor verändert werden.
Du kannst das Skript gerne bei dir hinzufügen, um die Auswirkung von Kräften zu testen. Das ist ein relativ einfaches Beispiel für die Anwendung von Kräften. In der Praxis kann es natürlich erweitert werden, um komplexere Bewegungsmuster zu erstellen. Wenn du mehr über das Scripting in Unity erfahren möchtest, findest du in unserem Unity Scripting Guide eine ausführliche Einführung.
Kräfte durch Skript in Unity anwenden
Das Anwenden von Kräften auf Rigidbodies in Unity ist der Schlüssel zur Erzeugung realistischer Bewegungen und Interaktionen. Ob über den Editor oder durch Scripting, Kräfte eröffnen endlose Möglichkeiten für die Bewegungssimulation in Spielen und Anwendungen. Durch Experimentieren und eine Feinabstimmung kannst du beeindruckende Bewegungseffekte erzeugen.
Im nächsten Teil des Unity Physics Tutorial blicken wir auf die Ragdoll Physik in Unity.
