فیزیک در بازی ها

فیزیک در بازی‌های ویدیویی یکی از مهم‌ترین بخش‌های ساخت یک دنیای باورپذیر است هر حرکت، برخورد، سقوط، موج، یا تخریب، نتیجه‌ی محاسبات پیچیده‌ای است که پشت صحنه انجام می‌شود این پنج اسلاید، نگاه علمی اما ساده به این سیستم‌ها دارد.

فیزیک در بازی‌ها بر پایه‌ی قوانین واقعی طبیعت ساخته می‌شود: گرانش، شتاب، جرم، انرژی و حرکت،موتورهای فیزیکی این قوانین را به‌صورت ریاضی مدل‌سازی می‌کنند تا هر جسم در بازی رفتاری شبیه دنیای واقعی داشته باشد مثلاً وقتی یک جسم سنگین را پرت می‌کنی، مسیر حرکتش باید با معادله‌ی پرتابه‌ها هماهنگ باشد یا وقتی یک جسم سبک روی زمین می‌افتد، باید چند بار جهش کند و بعد آرام بایستد این رفتارها تصادفی نیستند؛ نتیجه‌ی محاسباتی هستند که در هر فریم انجام می‌شوند هرچه این محاسبات دقیق‌تر باشند، مغز انسان راحت‌تر محیط بازی را «واقعی» می‌پذیرد.

سیستم برخورد (Collision Detection) یکی از پیچیده‌ترین بخش‌های فیزیک بازی است بازی باید تشخیص دهد چه زمانی دو جسم به هم رسیده‌اند، چقدر سرعت داشته‌اند، و چه مقدار نیرو باید منتقل شود بعد از تشخیص برخورد، مرحله‌ی دوم یعنی Collision Response شروع می‌شود: بازی تصمیم می‌گیرد جسم‌ها چطور واکنش نشان دهند برگردند، له شوند، بشکنند یا متوقف شوند. این فرآیند با استفاده از بردارهای نیرو، جرم اجسام، و قوانین پایستگی انرژی و تکانه انجام می‌شود اگر این سیستم دقیق نباشد، نتیجه‌ها غیرطبیعی می‌شوند: اجسام از هم رد می‌شوند، بیش از حد می‌پرند یا اصلاً واکنش نشان نمی‌دهند.

برای شبیه‌سازی افتادن و برخورد بدن انسان، بازی‌ها از سیستم Ragdoll استفاده می‌کنند در این سیستم، بدن به چندین بخش تقسیم می‌شود مثل بازو، پا، سر، لگن و هر بخش با مفاصل و محدودیت‌های حرکتی به بخش دیگر وصل است. این مفاصل قوانین خاصی دارند: مثلاً آرنج فقط در یک جهت خم می‌شود، یا گردن محدودیت چرخش دارد. وقتی شخصیت ضربه می‌خورد یا سقوط می‌کند، نیروها به این مفاصل منتقل می‌شوند و بدن واکنشی طبیعی نشان می‌دهد این سیستم ترکیبی از دینامیک چندجسمی، محدودیت‌های بیومکانیکی و محاسبات لحظه‌ای است نتیجه: افتادن‌هایی طبیعی، غیرقابل‌پیش‌بینی و بسیار نزدیک به واقعیت.

شبیه‌سازی سیالات یکی از سنگین‌ترین و علمی‌ترین بخش‌های فیزیک بازی‌هاست، آب، دود و آتش رفتارهای پیچیده‌ای دارند که با معادلات ناویه-استوکس (Navier–Stokes) مدل‌سازی می‌شوند. این معادلات جریان، فشار، چرخش و حرکت سیال را تعیین می‌کنند در بازی‌ها، برای اینکه آب طبیعی به نظر برسد، باید موج‌ها، انعکاس نور، برخورد با اجسام و تغییر شکل سطح آب همگی به‌صورت لحظه‌ای محاسبه شوند دود باید پخش شود، بالا برود، با جریان هوا حرکت کند آتش باید واکنش نشان دهد، شدت بگیرد یا خاموش شود این شبیه‌سازی‌ها معمولاً با ترکیب فیزیک واقعی و تکنیک‌های گرافیکی انجام می‌شوند تا هم طبیعی باشند و هم قابل اجرا روی سخت‌افزار.

در تخریب پویا، بازی باید بداند هر ماده چوب، فلز، بتن، شیشه چطور تحت فشار یا ضربه واکنش نشان می‌دهد این سیستم از مدل‌های فیزیکی مواد استفاده می‌کند: مقاومت، انعطاف‌پذیری، شکنندگی و نقطه‌ی شکست وقتی یک دیوار منفجر می‌شود، بازی باید مسیر ترک‌ها، جهت پرتاب تکه‌ها، و میزان انرژی آزادشده را محاسبه کند این کار با الگوریتم‌هایی مثل شبیه سازی شکستگی (Fracture Simulation) انجام می‌شود نتیجه این است که هر تخریب در بازی منحصربه‌فرد است و دقیقاً مطابق با جنس و ساختار آن جسم اتفاق می‌افتد این نوع فیزیک باعث می‌شود محیط بازی زنده و واکنش‌پذیر باشد.