淺談牛頓三大定律在動(dòng)畫中的應(yīng)用

李嚴(yán) 李雙武

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

關(guān)鍵詞：動(dòng)畫；牛頓定律；力學(xué)

1 牛頓第一定律在動(dòng)畫中的應(yīng)用

任何物體都保持靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)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(dòng)它需要的力愈大。一個(gè)重的物體比輕的物體有更大的慣性和動(dòng)能。

一個(gè)重的物體，例如炮彈，在靜止時(shí)需要很大的力去推動(dòng)它。當(dāng)炮彈發(fā)射時(shí)，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(dāng)高的速度(如圖)。一個(gè)較小的力，例如短時(shí)間的腳踢，對(duì)于移動(dòng)的炮彈可能根本沒有效果。事實(shí)上更可能使踢者的足趾受傷。然而，不斷地施加不算太強(qiáng)的力，也會(huì)逐漸地使炮彈滾動(dòng)，最后也會(huì)使它相當(dāng)快的滾去。

圖1一旦炮彈滾動(dòng)了，它將繼續(xù)保持等速運(yùn)動(dòng)，而需要另一個(gè)力去阻止它。假設(shè)它遇到一個(gè)障礙物，它會(huì)——取決于速度情況——被阻止，或撞擊障礙繼續(xù)前進(jìn)。假如它在粗糙的表面上滾動(dòng)，它會(huì)很快地停止；但假如它在光滑的表面上滾動(dòng)，因摩擦力較小，要滾動(dòng)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間才會(huì)停止。因此，在動(dòng)畫中畫很重的物體時(shí)，導(dǎo)演必須給較多時(shí)間去表現(xiàn)動(dòng)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(dòng)畫家的任務(wù)則是畫出有足夠的力加在炮彈上，使它開始移動(dòng)、停止或轉(zhuǎn)換方向。

輕的物體阻力很小，當(dāng)力加在它們之上時(shí)，情況會(huì)大不一樣。例如，推動(dòng)一只玩具氣球，只需很少時(shí)間，手指輕輕一彈已足夠使它加速移動(dòng)。當(dāng)它移動(dòng)時(shí)，因?yàn)榱苄。諝獾哪Σ亮κ顾铀贉p速，所以它不會(huì)移動(dòng)太遠(yuǎn)。

在銀幕上表現(xiàn)出物體的重量感，完全取決于動(dòng)畫的間隔距離，而不在動(dòng)畫稿本身。如果炮彈在運(yùn)動(dòng)時(shí)動(dòng)作不像炮彈的話，每張動(dòng)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(shí)才開始運(yùn)動(dòng)。這是牛頓關(guān)于運(yùn)動(dòng)的第一定律：一個(gè)物體，如果不受到任何力的作用，它將保持靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

2 牛頓第二定律在動(dòng)畫中的應(yīng)用

物體在受到合外力的作用會(huì)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(yùn)動(dòng)物體是受力的支配的，受力大的物體運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)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(huì)產(chǎn)生加速度，可能使物體的運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)的。真空中，由于沒有空氣阻力，各種物體因?yàn)橹皇艿街亓?，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(shí)，在相同的時(shí)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(shí)，在相同的時(shí)間間隔中，它們的速度改變是相同的。

3 牛頓第三定律在動(dòng)畫中的應(yīng)用

兩個(gè)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(gè)物體的運(yùn)動(dòng)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?yàn)槭艿搅Φ淖饔貌艜?huì)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。物體在運(yùn)動(dòng)過程中，又會(huì)因?yàn)槭艿礁鞣N反作用力的影響和制約，其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)才會(huì)發(fā)生各種各樣的變化。

和其他物體一樣，人體的運(yùn)動(dòng)，是人使用力量所產(chǎn)生的。當(dāng)人和動(dòng)物的作用力支配肌肉收縮時(shí)，便產(chǎn)生了動(dòng)力，人就能做出各種動(dòng)作姿態(tài)。可是人體在運(yùn)動(dòng)時(shí)，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(dòng)作形態(tài)和速度就會(huì)發(fā)生變化。動(dòng)畫片就是根據(jù)力學(xué)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(yùn)用到動(dòng)作設(shè)計(jì)中去，并且加以充分地發(fā)揮，使畫出來的動(dòng)作產(chǎn)生特殊的效果，形成了動(dòng)畫動(dòng)作本身的特性。

當(dāng)一個(gè)物體受到力的作用，就會(huì)從靜止?fàn)顟B(tài)開始產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。在運(yùn)動(dòng)中的物體，又會(huì)受到力、引力、摩擦力等反作用力的影響，產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)方式和運(yùn)動(dòng)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(huì)在空中朝前運(yùn)動(dòng)。但球在空中因?yàn)槭艿娇諝庾枇?反作用力)的影響，皮球向前的動(dòng)力就會(huì)減弱，速度就會(huì)減慢。同時(shí)球體也受到地心引力(反作用力)的制約，促使球體拋物線運(yùn)動(dòng)方向落向地面。

打臺(tái)球時(shí)，臺(tái)球球體被球桿用力推出，便會(huì)直線向前滾動(dòng)，這是作用力的影響。由于受到桌面摩擦力的影響，球體前進(jìn)速度就會(huì)逐漸減慢，這是反作用力的影響。當(dāng)碰到桌邊框的阻擋時(shí)，便會(huì)終止前進(jìn)產(chǎn)生反彈，這也是反作用力的影響，這時(shí)臺(tái)球改變方向，向另一個(gè)方向彈出。

關(guān)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(shí)產(chǎn)生、同時(shí)消失。(2)這一對(duì)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(guān)。

牛頓定律、力學(xué)在動(dòng)畫制作中得到了充分的運(yùn)用，給了動(dòng)畫以理論方面的支撐。整個(gè)動(dòng)畫的產(chǎn)生和發(fā)展無不與科學(xué)技術(shù)聯(lián)系在一起。科學(xué)技術(shù)和科學(xué)知識(shí)是動(dòng)畫發(fā)展的必要條件。動(dòng)畫作品也有力的呈現(xiàn)了這些科學(xué)知識(shí)和科學(xué)技術(shù)。

參考文獻(xiàn)：

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［3］ 王亦飛.動(dòng)畫運(yùn)動(dòng)規(guī)律［M］.