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受力作用的粒子系统

大龙10 2023-09-22 原文

书名：代码本色：用编程模拟自然系统
作者：Daniel Shiffman
译者：周晗彬
ISBN：978-7-115-36947-5
目录

4.11　受力作用的粒子系统

1、受力作用的粒子系统

  以上粒子类（Particle）中的加速度是一个常量，它从来不会发生变化。然而，一个更好的模拟框架应该遵循牛顿第二定律（F = M * A），并能将第2章中力的累加算法作用在粒子上，下面就让我实现这样的特性。

  • 第一步，我们需要添加一个applyForce()函数。（记住：在将力向量除以质量之前，我们要先创建一个副本。）
    我们还要在update()函数中多加一行代码，用于清除之前的加速度。

  • 完成Particle类之后，我们还有一个很重要的问题：
    在何处调用applyForce()函数，即在代码的哪个位置实现力对粒子的作用？
    事实上，这个问题没有绝对正确的答案，它取决于你的具体需求。话虽如此，但我们还是可以实现一种适用于大部分情况的通用解决方案，并构造一个模型应用于每个粒子都受力的作用的系统。

  • 现在我们碰到了一个小问题，applyForce()是粒子类的方法，但是我们没法在draw()函数中引用任何粒子对象，这里只有一个粒子系统对象：变量ps。
    由于系统内的所有粒子都受力的作用，所以我们可以把力作用在粒子系统上，粒子系统再将这个力传递给每个粒子。

void draw() {
    background(100);
    PVector gravity = new PVector(0, 0.1);
    ps.applyForce(gravity); 把力作用在粒子系统上
    ps.addParticle();
    ps.run();
}
  • 如果要在draw()函数中调用粒子系统的新函数，我们必须在粒子系统类中定义这个函数。该函数的作用是：传入力向量，将力作用在每个粒子上。
    代码如下：
void applyForce(PVector f) {
    for (Particle p: particles) {
        p.applyForce(f);
    }
}

这个函数实现起来非常简单，它的功能只是“将力作用在粒子系统上，系统再将力作用在每个粒子上”。这是一种非常合理的程序结构。因为粒子系统对象的职责是管理粒子，如果要操纵粒子，我们必须通过粒子的管理者——粒子系统。（还有，这里可以使用改进型for循环，因为我们不会在遍历过程中删除任何元素！）

2、示例

示例代码 4-6　受力作用的粒子系统

ParticleSystem ps;

void setup() {
  size(640,360);
  ps = new ParticleSystem(new PVector(width/2,50));
}

void draw() {
  background(255);
  
  // Apply gravity force to all Particles
  PVector gravity = new PVector(0,0.1);
  ps.applyForce(gravity);
  
  ps.addParticle();
  ps.run();
}

ParticleSystem.pde

class ParticleSystem {
  ArrayList<Particle> particles;
  PVector origin;

  ParticleSystem(PVector position) {
    origin = position.get();
    particles = new ArrayList<Particle>();
  }

  void addParticle() {
    particles.add(new Particle(origin));
  }

  // A function to apply a force to all Particles
  void applyForce(PVector f) {
    for (Particle p: particles) {
      p.applyForce(f);
    }
  }

  void run() {
    for (int i = particles.size()-1; i >= 0; i--) {
      Particle p = particles.get(i);
      p.run();
      if (p.isDead()) {
        particles.remove(i);
      }
    }
  }
}

3、运行结果

受力用的applyForceparticlesPVector

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