淺談牛頓三大定律在動畫中的應用

李嚴 李雙武

摘 要：牛頓三大定律是力學中重要的定律，它是研究經(jīng)典力學的基礎，而力的作用是造成一切運動的根本原因，動畫就是讓讓畫面運動起來的影視藝術，即運動的畫面。所以說牛頓三大定律在動畫藝術中占有重要的位置，是動畫中必不可少的研究對象。

關鍵詞：動畫；牛頓定律；力學

1 牛頓第一定律在動畫中的應用

任何物體都保持靜止或勻速直線運動的狀態(tài)，直到受到其他物體的作用力迫使它改變這種狀態(tài)為止。這就是牛頓第一定律的內(nèi)容，即慣性定律。物體重量愈大，移動它需要的力愈大。一個重的物體比輕的物體有更大的慣性和動能。

一個重的物體，例如炮彈，在靜止時需要很大的力去推動它。當炮彈發(fā)射時，炸藥的力量作用于炮筒中的炮彈，炸藥爆炸的力量很大，有足夠的力量使炮彈加速到相當高的速度(如圖)。一個較小的力，例如短時間的腳踢，對于移動的炮彈可能根本沒有效果。事實上更可能使踢者的足趾受傷。然而，不斷地施加不算太強的力，也會逐漸地使炮彈滾動，最后也會使它相當快的滾去。

圖1一旦炮彈滾動了，它將繼續(xù)保持等速運動，而需要另一個力去阻止它。假設它遇到一個障礙物，它會——取決于速度情況——被阻止，或撞擊障礙繼續(xù)前進。假如它在粗糙的表面上滾動，它會很快地停止；但假如它在光滑的表面上滾動，因摩擦力較小，要滾動相當長的時間才會停止。因此，在動畫中畫很重的物體時，導演必須給較多時間去表現(xiàn)動作的開始、停止或改變方向，以使物體有令人信服的沉重感。動畫家的任務則是畫出有足夠的力加在炮彈上，使它開始移動、停止或轉換方向。

輕的物體阻力很小，當力加在它們之上時，情況會大不一樣。例如，推動一只玩具氣球，只需很少時間，手指輕輕一彈已足夠使它加速移動。當它移動時，因為力很小，空氣的摩擦力使它加速減速，所以它不會移動太遠。

在銀幕上表現(xiàn)出物體的重量感，完全取決于動畫的間隔距離，而不在動畫稿本身。如果炮彈在運動時動作不像炮彈的話，每張動畫稿上的炮彈畫的再漂亮、再逼真也沒有用。同樣情況適用于其他任何物體和角色。

每一物體都有它的重量，只有在力施加于它時才開始運動。這是牛頓關于運動的第一定律：一個物體，如果不受到任何力的作用，它將保持靜止狀態(tài)或勻速直線運動狀態(tài)。

2 牛頓第二定律在動畫中的應用

物體在受到合外力的作用會產(chǎn)生加速度，加速度的方向和合外力的方向相同，加速度的大小正比于合外力的大小與物體的慣性質(zhì)量成反比。

運動物體是受力的支配的，受力大的物體運動速度就快。物體在受到合外力產(chǎn)生加速度，也可能使物體的運動狀態(tài)或速度發(fā)生改變，但是這種改變是和物體本身的運動狀態(tài)有關的。

真空中，由于沒有空氣阻力，各種物體因物體受到的合外力，會產(chǎn)生加速度，可能使物體的運動狀態(tài)或速度發(fā)生改變，但是這種改變是和物體本身的運動狀態(tài)有關的。真空中，由于沒有空氣阻力，各種物體因為只受到重力，則無論它們的質(zhì)量如何，都具有的相同的加速度。因此，在作自由落體時，在相同的時間間隔中，它們的速度改變是相同的。如果只受到自身重力，無論它們的質(zhì)量如何，都具有的相同的加速度。因此，在作自由落體時，在相同的時間間隔中，它們的速度改變是相同的。

3 牛頓第三定律在動畫中的應用

兩個物體之間的作用力和反作用力，在同一條直線上，大小相等，方向相反。

要改變一個物體的運動狀態(tài)，必須有其他物體和它相互作用。物體之間的相互作用是通過力體現(xiàn)的。并且指出力的作用是相互的，有作用必有反作用力。它們是作用在同一條直線上，大小相等，方向相反。

我們知道，自然界的一切物體，都是因為受到力的作用才會產(chǎn)生運動。物體在運動過程中，又會因為受到各種反作用力的影響和制約，其運動狀態(tài)才會發(fā)生各種各樣的變化。

和其他物體一樣，人體的運動，是人使用力量所產(chǎn)生的。當人和動物的作用力支配肌肉收縮時，便產(chǎn)生了動力，人就能做出各種動作姿態(tài)。可是人體在運動時，由于受空氣的阻力、地心引力、地面摩擦力以及慣性、彈性等等反作用力的影響，人的動作形態(tài)和速度就會發(fā)生變化。動畫片就是根據(jù)力學原理，把作用力和反作用力、加速度與減速度等物理現(xiàn)象具體運用到動作設計中去，并且加以充分地發(fā)揮，使畫出來的動作產(chǎn)生特殊的效果，形成了動畫動作本身的特性。

當一個物體受到力的作用，就會從靜止狀態(tài)開始產(chǎn)生運動。在運動中的物體，又會受到力、引力、摩擦力等反作用力的影響，產(chǎn)生運動方式和運動速度上的變化。例如：被人用力拋出去的皮球，受到作用力支配，便會在空中朝前運動。但球在空中因為受到空氣阻力(反作用力)的影響，皮球向前的動力就會減弱，速度就會減慢。同時球體也受到地心引力(反作用力)的制約，促使球體拋物線運動方向落向地面。

打臺球時，臺球球體被球桿用力推出，便會直線向前滾動，這是作用力的影響。由于受到桌面摩擦力的影響，球體前進速度就會逐漸減慢，這是反作用力的影響。當碰到桌邊框的阻擋時，便會終止前進產(chǎn)生反彈，這也是反作用力的影響，這時臺球改變方向，向另一個方向彈出。

關于作用力與反作用力的內(nèi)容另外需要注意：(1)作用力和反作用力是沒有主次、先后之分。同時產(chǎn)生、同時消失。(2)這一對力是作用在不同物體上，不可能抵消。(3)作用力和反作用力必須是同一性質(zhì)的力。(4)與參照系無關。

牛頓定律、力學在動畫制作中得到了充分的運用，給了動畫以理論方面的支撐。整個動畫的產(chǎn)生和發(fā)展無不與科學技術聯(lián)系在一起。科學技術和科學知識是動畫發(fā)展的必要條件。動畫作品也有力的呈現(xiàn)了這些科學知識和科學技術。

參考文獻：

［1］ 哈羅德.威特克，約翰.哈拉斯.動畫的時間掌握［M］.中國電影出版社.

［2］ 艾薩克?牛頓.自然哲學的數(shù)學原理［M］.

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