Физика в компьютерных играх

XI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Физика в компьютерных играх

Ярославцев Р.А. 1Ухина А.Н. 1
1ГБОУ школа №319
Чубакина О.В. 1
1ГБОУ школа № 319
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

О видеоиграх большинство из нас знают еще с самого детства: мы или наши родители играли в них на компьютерах, телефонах, различных приставках. Качество современных игр изменилось со временем. Во многом серьезного прогресса добились благодаря физике, перенесенной из реального мира в компьютер.

Разработчики при создании игры ищут баланс между веселой игрой и игрой с реалистичной физикой. Если персонаж прыгает, он обязан приземлиться, а не улететь в космос. С первого взгляда кажется, что физика нашего и игрового мира сильно отличается, выглядит нереалистичной и основана скорее на фантастике, чем на законах реального мира. Но это не совсем так, и как раз с помощью физических законов, которые ранее были доказаны научными исследованиями, мы сможем доказать реалистичность или не реалистичность многих физических явлений, которые представлены нам в компьютерных играх. Хитрости, упрощения и физические движки позволяют быстро создать довольно реалистичную физику, чтобы главное внимание уделить более важным аспектам игры.Например: Игры с артиллерией первыми стали учитывать гравитацию и сопротивление в своих механиках. Пользователи по очереди стреляли пушечными ядрами, стрелами и ракетами, чтобы уничтожить базу противника. Такие игры учитывали полу реалистичную баллистику, то есть — угол запуска, гравитацию, сопротивление ветра и изначальную скорость.

Актуальность

В настоящее время дети очень увлечены Игрой на компьютере. Тема физики в компьютерных играх актуальна, потому что игроки хотят, чтобы игра была максимально реалистичной. Знание законов физики поможет Игрокам в построении стратегий для прохождения уровней с большей легкостью. Для сохранения интереса к изучению физики, можно разработать задачи, с использованием видеофрагментов из игр. Это позволит более заинтересовать учащихся, дав им возможность посмотреть на компьютерную игру с другой стороны, увлечь, заинтересовать их в освоении науки физики. Необходимость успешного изучения школьных дисциплин физики и информатики , даст возможность выпускникам, которые хотят стать разработчиками игр в будущем воссоздать процессы в видеоиграх основанные на законах физики.

Цель:
Разработать задачи по темам раздела физики - Механика, для использования их на уроках, повышения мотивации учащихся при изучении тем.

Рассмотреть на некоторых примерах из компьютерных игр случаи, когда физические явления из реального мира проявляются в игре как элементы геймплея или графики, и с помощью законов физики доказать реалистичность или не реалистичность этих процессов.

Задачи :

Найти информацию о игровой физики.

Рассмотреть случаи физических явлений в играх.

Составить, основываясь на физических законах ,задачи, по темам используя компьютерные игры .

Доказать, если это возможно, с помощью физических законов реального мира.

Провести небольшой опрос и составить диаграммы о знании людей о физике в компьютерных играх.

Пояснительная записка.

Физика в играх призвана воспроизвести в игре физические законы и возникающие под их воздействием процессы, чтобы заставить игрока поверить в реальность происходящего на экране. Словосочетанием "игровая физика" родилось не в 1962 году, а в 1998 с выходом игры Jurassic Park: Trespasser. 

Для моделирование игры: необходимосоздание модели для описания физического явления. Нужно набить руку, для того, чтобы достаточно быстро осознать какие факторы влияют на данный физический процесс. Из них нужно выделить те, которые являются основными, а какими можно и нужно пренебречь. Почему чем-то нужно пренебрегать? Дело в том, что все учесть невозможно и бессмысленно. Например, моделируя падение камня на землю с высоты одного метра, явно можно пренебречь изменением ускорения свободного падения с высотой, а также притяжением луны и другими факторами.  Моделируя же приливы и отливы, притяжением луны пренебречь нельзя, так как оно является основным фактором. Кроме того, физика в игре должна подчеркивать какие-то особенности.

Игровая физика служит разным целям, но самые главные — интуитивность и веселье. Если объект ведет себя непредсказуемо, будет сложно понять правила моделирования физических явлений.

Мы провели опрос среди учащихся ивот какие результаты получены (приложение 1). В опросе участвовало 100 чел

Анализируя результаты опроса, мы убедились, что выбранная тема –актуальна.

Основная часть.

Физика в играх призвана воспроизвести в игре физические законы и возникающие под их воздействием процессы, чтобы заставить игрока поверить в реальность происходящего на экране. 

Законы, которые придумывают для элементов игры, делят на физику твердого и мягкого тела. Первая активно используется в 2D и 3D играх и относится практически ко всем моделям. Вторая максимально упрощается из-за сложности реализации, потому что демонстрирует результат воздействия внешних сил на объект, например, поведение плаща главного героя, который развевается на ветру.

У игровой физики много задач, но самая главная – это сделать игру интуитивно понятной и увлекательной

4.1Angry Birds.

Angry Birds - серия компьютерных игр, разработанных финской компанией Rovio, в которых (в основной линии) игрок с помощью рогатки должен выстреливать птицами по зелёным свиньям, расставленным на различных конструкция. В этой игре игрок использует рогатку для запуска птицы в свиней, размещенных на поверхности или внутри различных структур, с намерением уничтожить всех свиней на игровом поле. Запуская птиц из рогатки, нужно уничтожить всех свиней на уровне. Они уничтожаются как прямым попаданием, так и при помощи блоков разрушаемых строений и падения с большой высоты. В феврале 2012 года компания Rovio объявила о выпуске Angry Birds Space — новой игры в серии. Тематика игры связана с космосом; в частности, в конструкциях присутствуют планеты, гравитационное притяжение каждой по-своему влияет на траекторию птиц после запуска. ерсонажи игры официально или иначе использовались в аттракционах парка развлечений.

В сентябре 2011 года в тематическом парке «Window of the World» в Чанше, Китай, открылся нелицензионный аттракцион Angry Birds. Посетители парка должны использовать большую рогатку, чтобы запускать чучела персонажей птиц в зеленые воздушные шары, которые представляют свиней

В июне 2013 года Rovio и НАСА открыли тематический парк Angry Birds Space в Космическом центре Кеннеди под названием «Angry Birds Space Encounter» В нем представлены различные возможности видеоигры Angry Birds Space, такие как создание персонажей и стрельба по свиньям. Аттракцион был открыт также в Космическом центре Хьюстона.

Использую игры можно предложить на уроке в теме «Решение задач на применение законов Ньютона» решить задачу.

Задача 4.1.1

Ведро висит на верёвке привязанной к гвоздю, вбитому в стенку, и угол между верёвкой и стенкой 15 градусов. Определите силу натяжения верёвки и силу, с которой ведро действует на стенку, если масса ведра 12кг. Массой верёвки и трением между ведром и стенкой пренебречь.

Дано:

α=15

m=12кг

g=10м/с

Найти:

-?, -?

Решение:

На ведро действует сила тяжести mg, сила реакции стенки , сила натяжения верёвки .

Условие равновесия для ведра

+ + =m , a=0

Спроектируем это уравнения на оси координат

На ось OX: N-Tsin α =0

На ось OY: Tcos α-mg=0

Tcos α-mg=0 => T=

N-Tsin α=0 => N= sin α

Подставляем значения:

sin 15?=0,97

T==123,7Н

N=123,7Н×0,26= 32,2Н

Ответ: Т=123,7Н, N=32,2Н

Тема «Решение задач по теме «Законы сохранения механической энергии».

Задача 4.1.2

Несколько камней скатываются с наклонной плоскости из состояния покоя.

Последний Камень движется по деревянной поверхности. Высота наклонной плоскости H=1,2м и длина l=4м.Определите скорость камня в конце наклонной плоскости, если коэффициент трения μ=0,2. На каком расстоянии от основания обрыва упадёт камень, если высота обрыва h=3м? g=10м/с². При рассмотрении движения последнего камня, принять условие, что остальные камни не мешают его движению

Дано:

H=1,2м

L=4м

h=3м

μ=0,2

g=10м/с²

Найти:

=?, l=?

Решение:

Eп?+Еп?=Еп?+Ек?

На высоте Н камень обладал потенциальной энергией Еп?=mgH (Ek?=0)

Эта энергия превращается в кинетическую энергию Ek?= , Еп?=0 и часть энергии идет на совершение работы по преодолению силы трения

Aтр=FтрL

Eп?=Ek?+Aтр

mgH= +Fтр L

= μN

cos α= , так как треугольник ABC прямоугольный

cos α= =0,95

mgH= mgLcos α

= HLcos α

= mg (H- μmgLcos α)

=

V= =2,97м/с

Дальность полёта камня:

хк-х?=l=Vcos αt

h-h?=Vsin αt+

sin α=

sin α= =0,3

+Vsin αt-h=0

+2,97×0,3t-3=0

+0,89t-3=0

t?,?=

t?= =0,69c

t?= =-0,868 – не удовлетворяет условию

l=Vcos αt=2,97×0,95×0,69=1,9м

Ответ: v=2,97м/с; l=1,9м.

4.2 Mirrors Edge

Mirror’s Edge (сангл. «Зеркальнаягрань») — мультиплатформеннаякомпьютернаяигравжанре action-adventure, разработаннаястудией Electronic Arts Digital Illusions Creative Entertaiment иизданная Electronic Arts. Игра была анонсирована 10 июля 2007 года и выпущена на PlayStation 3 и Xbox 360 в ноябре 2008. Версия для Microsoft Windows вышла 13 января 2009. Действие игры происходит в антиутопичном городе не очень далёкого будущего, в котором средства связи контролируются правоохранительными органами. Единственный способ передать сообщение, избежав надзора, — прибегнуть к услугам Бегущих (англ. runners), к которым принадлежит и главная героиня игры, Фейт (англ. Faith — вера). Игрок управляет главной героиней, Фейт, перемещаясь по городу. Техника и движения, такие как прыжки с крыши на крышу, бег по стенам и проникновение в здания через вентиляционные шахты, были вдохновлены паркуром.

Что такое паркур в реальной жизни? Парку?р (от фр. parcours) — искусство рационального перемещения и преодоления препятствий с использованием прыжковых элементов, как правило, в городских условиях. Что такое паркур в Mirror’s Edge? Ну, тоже самое. Насколько же он достоверен?

Балансировка и подтягивания выглядят правдоподобно, использую фрагмент игры можно предложить на уроке в теме «Равновесие сил» решить задачу.

Задача 4.2.1

Балка массой 100кг и длиной 5м лежит на двух опорах. Определите силы давления на каждую из опор, когда человек массой 60 кг находится на расстоянии 3м от одного из концов.

Дано:

m?=100кг

l?=5м

m?=60кг

l?=3м

=10м/с²

Найти:
N?-?

N?-?

Решение:

По условию равновесия тел векторная сумма сил действующих на тело равны нулю.

+ + m? + m? = 0

В проекции на ось OY

N?+N? - m?gm?g = 0

Запишем правило моментов сил относительно точкиО

m?g + m?gl? - N?l? = 0

N?l? = m?g + m?gl?

N? = +

N? = m?g + m?g - N?

N? = g(m?+m?) - N?

N? = + 500Н + 360Н = 860Н

N?= 10м/с²(100кг + 60кг) – 860Н= 1600Н-860Н=740Н

Ответ:N?=740Н N? = 860Н.

Задача 4.2.2

До какой скорости нужно разбежаться человеку чтобы перепрыгнуть с одного здания на другое, если расстояние между ними 2м, а второе здание ниже на 2,5м чем здание на котором находится человек.

Дано:

l=2м

h?=2,5м

g=10м/с²

Найти:

V?-?

Решение:

хк-х?=l=V?t

V?>

h?-h?=V?y t- ; V?y=0 , так как V?

0-h?= - ;

h?= => t=

V?>

V?>

V0>2,86м/с

Ответ: скорость человека должна быть больше чем 2,86м/с

4.3 WorldOf Tanks

Wargaming.net продолжала работу над WorldOfTanks. В апреле 2009 года был выпущен официальный анонс игры, а уже в сентябре этого же года началось альфа-тестирование, для которого имелось всего пять моделей танков и одна неполная карта.

На сегодняшний день в игре World Of Tanks зарегистрировано порядка 80 миллионов человек, а 19 декабря 2014 года был поставлен очередной рекорд — 1 114 000 игроков онлайн.

Интерес к игре обусловлен

краткосрочность игрового действия. В большинстве многопользовательских игр на игровой процесс нужно «убивать» очень много времени. В World Of Tanks же бои скоротечны. Просто идеальный вариант для серьёзных мужчин, отягощенных работой и семейными обязанностями

реалистичность. Игра великолепна. Гул моторов, стрельба, отлично прорисованные пейзажи — всё это завораживает. Если в фэнтезийных мирах около 90% игровых действий полностью придуманы, то в World Of Tanks всё реально;

бизнес-модель. На первое место выходит мастерство и военная хитрость. Да и игра без подписки — это тоже достаточно серьёзный козырь, благодаря которому World Of Tanks постоянно пополняется новыми адептами.
Игре World of Tanks пятьлет. Всего пять. За это время в ней зарегистрировалась сотня миллионов человек из России, Китая, США, Австралии и других стран. Это в два раза больше населения Италии и в десять – Белорусс­ии. Можно сказать, что многопользовательская онлайн-игра – немного стрелялка, немного стратегия – сложилась из трех основных компонентов: детского увлечения моделированием, онлайн-симулятора про Вторую мировую Navy Field и огромных букв «Подвиг народа бессмертен» на площади Победы в Минске. Компания Wargaming, создавшая World of Tanks, уже зарабатывает сотни миллионов долларов на танках и вкладывает десятки миллионов в киберспорт. 

Разработчики очертили временные рамки: в игре должны появляться машины, выпущенные с 1930 по 1950 год. На первом уровне игрок получает самый простой легкий танк в древе СССР – это МС-1.«Танки» – не банальный шутинг, в игре есть место тактике и стратегии, важно создать сплоченную команду и действовать заодно.Чтобы соблюсти исторические факты и сделать игру по законам физики и баллистики, разработчики привлекли экспертов.

Проверим выполняются ли законы физики на задачах взятых из игры.

На тему «Движение под действием силы тяжести в случае, когда начальная скорость направлена под углом у горизонту»

Задача №4.3.1

Из танка Т-34-85 делают выстрел в горизонтальном направлении ВЫСОТА ПУШКИ ОТ ЗЕМЛИ 2,5м скорость вылета снаряда 800м/с. Определите дальность полета снаряда. Сопротивлением воздуха пренебречь.

Дано:

h?=2,5м

V?=800м/с

g=10м/с²

Найти:

l-?

Решение:

Хк-Х?=l=V?t

h-h?=V?y t- ; V?y=0 , так как V?

0-h?= - ;

h?= => t=

l=V?

l=800м/с×=565м

Ответ:l=565м

Полученные результаты совпадают со справочными данными (Приложение 1)

Задача №4.3.2

Из танка Т-34-85 делают выстрел с высоты 2,5м под углом 20 градусов к горизонту. Начальная скорость снаряда 800м/с. Найти время полёта снаряда и дальность полёта.

Дано:

α=20?

h=2,5м

V?=800м/с

g=10м/с²

Найти:

l=? t=?

Решение:

Зависимость координат тела от времени:

хк-х?=l=Vos α t; x?=0

x=V? cos α t

y=V? sin α t + h

В момент падения снаряда на землю координата y=0

V? sin α t – +h =0

- V? sin α th=0

5t²-800×0,34t-2,5=0

5t²-272t-2,5=0

t?= = 54,4c

t?= = -0,009c –не удовлетворяет условию

l=x=V? cos α t=800м/с×0,93×54с=40176м

Ответ: t=54,4cl=40176м

Из анализа таблицы 1( приложение 2)следует, что дальность стрельбы лежит в диапазоне 1,0 км. Следовательно, на этом примере реальность не соответствует математическим расчетам.

Вывод. Законы физики, для определения дальности снаряда выполнимы при малых углах наклона пушки.

Для изучения Темы «Закон сохранения импульса», можно разобрать следующую задачу.

Задача №4.3.3

Из покоящегося танка Т-34-85 массой 32т, находящегося в покое, делают выстрел в горизонтальном направлении снарядом массой 9,2кг, вылетающим со скоростью 800м/с. Определите на какое расстояние откатывается танк, если коэффициент трения μ=0,3.

Дано:

М=32т=32000кг

m=9,2кг

u=800м/с

μ=0,3

g=10м/с²

Найти:

l=?

Решение:

Из закона сохранения импульса определим скорость с которой откатывается танк.

M

= =0

В проекции на ось ОХ:

0=MV?+mu

MV?= -mu

V?=

После выстрела танк движется под действием силы трения, m= + + , в проекции на ось OX: ma=Fтр Расстояние которое проедет танк:

l= ; V=0; l= ; a= ,

l= ; l=

Fтр=μN N=mg

Fтр=μmg

l= ; l=;

l=

l=Ответ:l=0,009м=0,9см

Задача реалистична, очень наглядно показано применение закона сохранения импульса.

Заключение:

Из рассмотренных случаев, описывающих механическое движение в играх, мы можем сделать вывод , что Физика и ее понимание может помочь многим для того, чтобы строить план того, как они будут играть и проходить тот или иной уровень. Пользователю интересно, что произойдет в те или иные моменты в игре, как это сделают разработчики и как преподнесут, используя не только систему игровой физики, но и физику реального мира, ее законы.

При разработке темы проекта, мы выяснили что без физики вообще некуда, даже на досуге при игре на компьютере , возникает необходимость анализа игровой ситуации, знание законов физики позволил правильно смоделировать стратегию игры. От качества полученных знаний зависит успех игры, важно правильно стратегию игры, чтобы четко дать понять игрокам в команде на что им рассчитывать.

Разработанные нами задачи, могут быть успешно реализовать на уроках физики в 9 и 10 классах. Это позволит сильнее мотивировать юных игроков в изучении предмета.

Интернет-ресурсы.

http://army.lv/ru/t-34-85/harakteristiki/631/266

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A2-34-85

https://www.gamedev.ru/articles/?id=30107

http://army.lv/ru/t-34-85/harakteristiki/631/266

https://www.finesoftware.ru/kontekstnaya-spravka/geo5/ru/table-of-ultimate-friction-factors-for-dissimilar-materials-01/

https://coop-land.ru/helpguides/blogs/17823-fizika-v-videoigrah-i-kakie-est-ee-vidy.html

https://avatars.mds.yandex.net/get-zen_doc/198554/pub_5cd6acb47a7fdb034966ed47_5cd7f456dc10c300b339a6f6/scale_1200

http://www.seoded.ru/istoriya/internet-history/world-of-tanks.html#ixzz6fCAI7Yam

https://minkor.ru/upload/spravochnik/170310-2.pdf

https://ru.wikipedia.org/wiki/Angry_Birds

https://www.gq.ru/entertainment/kak-belorusy-iz-world-of-tanks-zahvatili-mir

7. Приложение

7.1 Приложение 1

7.2 Приложение 2

Таблица 1

Боеприпасы пушки С-53[16][17]

 

Марка выстрела

Тип снаряда

Марка снаряда

Масса выстрела, кг

Масса снаряда, кг

Масса ВВ, г

Марка взрывателя

Дульная скорость, м/с

Дальность прямого выстрела по цели высотой 2 м

Год принятия на вооружение

Бронебойные снаряды

 

УБР-365

бронебойный тупоголовый с баллистическим наконечником, трассирующий

БР-365

16,00

9,20

 

МД-5 или МД-7

800

950

 

УБР-365К

бронебойный остроголовый, трассирующий

БР-365К

16,20

9,34

 

МД-8

800

900

 

УБР-367

бронебойный остроголовый с защитным и баллистическим наконечниками, трассирующий

БР-367

     

ДБР-2

   

послевоенный период

УБР-365П

бронебойный подкалиберный катушечного типа, трассирующий

БР-365П

11,42

4,99

1050

1100

1944

УБ-367П

бронебойный подкалиберный обтекаемой формы, трассирующий

БР-367П

11,72

5,35

1024

1140

послевоенный период

Просмотров работы: 187