Waarom het modelleren van kersen die in water drijven zo’n technische uitdaging is

We hebben soms de neiging om te vergeten dat onze huidige videogames zeer complexe wiskundige en fysieke wonderen zijn. Een recente hack die simpelweg kijkt hoe je een object in een 3D-omgeving kunt laten zweven, is daar het bewijs van.

Hoewel 3D-simulatie de afgelopen jaren sterk is verbeterd, zijn sommige aspecten van onze fysieke wereld nog steeds erg moeilijk digitaal na te bootsen. Een van die complexe technische uitdagingen is de interactie tussen 3D-objecten en vloeistoffen.

Het is erg moeilijk om in een 3D-omgeving getrouw na te bootsen Oppervlaktespanning Water. Het fenomeen, dat verklaart waarom sommige dichtere watermassa’s niet zinken wanneer ze op het water worden geplaatst, was lange tijd moeilijk te recreëren in 3D, maar een nieuwe wetenschappelijke publicatie kan misschien helpen.

Wat is oppervlaktespanning?

Deze studie (verschijnt in augustus 2021 in het tijdschrift) ACM-coëfficiënten op afbeeldingen) Ontstaan ​​uit samenwerking tussen Chinese en Amerikaanse universiteiten Het laat zien dat het mogelijk is om dit fysieke fenomeen nauwkeurig na te bootsen in simulatie. Om de reden voor deze prestatie volledig te begrijpen, moeten we eerst aandacht besteden aan het fysieke fenomeen dat deze oppervlaktespanning veroorzaakt.

In een glas gevuld met water combineren de moleculen waaruit de vloeistof bestaat zich met elkaar. Dit wordt de samenhang van het materiaal genoemd. In het midden van het glas water kan elk molecuul zich in alle richtingen aan zijn buren binden (die onder, boven, naast). Aan de oppervlakte kunnen de watermoleculen daarentegen alleen horizontaal combineren, omdat er geen moleculen boven zijn. Deze oppervlaktedeeltjes zullen dus sterker aan elkaar hechten dan die eronder en zullen een soort harde “huid” aan de bovenkant van het glas creëren.

Het is deze huid die ervoor zorgt dat bepaalde dichtere watermassa’s op het glas kunnen drijven. Zodra er echter extra druk wordt uitgeoefend, zakt het lichaam weg.

Waarom is het zo ingewikkeld om in 3D te recreëren?

Dit fenomeen is ingewikkeld om in 3D na te bootsen, omdat het wiskundig erg moeilijk is” Simuleer nauwkeurig de interacties tussen de drie subsystemen » legt het onderzoek uit. De drie subsystemen zijn het fysieke lichaam, het wateroppervlak en de rest van het water. Het simuleren van water met verschillende eigenschappen en waarvan de spanning varieert naargelang het zich aan de oppervlakte of op diepte bevindt, is een technische uitdaging voor de computer. De machine beschouwt water standaard als een homogene vloeistof.

Door deze huid digitaal na te maken, zijn specialisten erin geslaagd de oppervlaktespanning van water in een 3D-omgeving na te bootsen. In plaats van het water simpelweg te modelleren als een homogeen oppervlak, voegden de onderzoekers een extra, dichter membraan aan het oppervlak toe dat nauwkeuriger zou interageren met het fysieke object dat daar werd geplaatst.

Door dit membraan toe te voegen, zullen de drie subsystemen met elkaar interageren op een manier die wiskundig begrijpelijk is voor de machine, waardoor het mogelijk wordt om de oppervlaktespanning van water te recreëren en meer realistische omgevingen te creëren. In de video bij het onderzoek was de 3D-simulatie verbazingwekkend nauwkeurig.

Afhankelijk van de dichtheid van objecten die op het water worden geplaatst, zal deze anders vervormen. De neiging van zwevende objecten om dicht bij elkaar te komen (ook bekend als Cheerios-effect Wat betreft de korrels die aan elkaar plakken in een glas melk) kan ook gekloond worden. Door een machine te vragen een eenvoudige berekening uit te voeren tussen de spanning van het water aan het oppervlak en de dichtheid van een object, komen we tot een conclusie die dicht bij de werkelijkheid ligt.

Hoe kan dit onze games verbeteren?

De methode is niet perfect en slaagt er niet in om het gedrag van bijvoorbeeld hydrofiele lichamen (die water opnemen, zoals bij sponzen) getrouw weer te geven. Deze ontdekking vertegenwoordigt nog steeds een interessante vooruitgang vanuit theoretisch oogpunt.

Zo kan de rijkdom en nauwkeurigheid van onze videogames worden verbeterd door zwevende objecten te gebruiken die beter interageren met hun omgeving en die bijvoorbeeld onder bepaalde omstandigheden kunnen zinken. Het vangen van een drijvend object dat plotseling begint te zinken door de beweging van water, voegt een laag realisme toe aan onze games.

Zo kunnen zeeslagen realistischer en realistischer zijn. Schepen zullen langzaam naar elkaar toe trekken vanwege het beroemde Cheerios-effect. In zowel simulatie- als avonturengames zal dit digitale navigatie een beetje dichter bij de “echte” ervaring brengen.

« Wij zijn van mening dat deze methode de eerste stap is naar het bouwen van numerieke simulatoren die in staat zijn om complexere vloeistof-vaste stof interacties met sterke oppervlaktespanning nauwkeuriger te modelleren. Beschrijf de studie. Misschien is het in de praktijk een kleine vooruitgang, maar het geeft wel aan hoe meeslepend onze games en het realisme van onze games het resultaat waren van duizenden complexe microberekeningen. Het creëren van een geloofwaardige 3D-omgeving is een moeilijkere uitdaging dan je zou denken.

Vervolg van de video