第二十五章刚体Rigidbody

在物理学中，静止和匀速直线运动是物体的平衡状态，如果给该物体施加某一个力的话，物体的平衡状态就会改变，当然这个真理的前提是理想状态。我们知道在现实世界中，由于重力和摩擦力的存在，任何一个物体都不可能永无止境的运动下去。因此，要想让物体保持运动状态，我们就必须持续的给物体施加一个力。在Unity中就模拟了这种效果，它是通过一个叫做“Rigidbody刚体”的组件实现的。接下来，我们就来创建一个“PhysicsDemo”3D工程来介绍Rigidbody刚体组件。

首先，我们创建了一个平面，然后在平面的上方创建了一个球体。

接下来，我们就给球体添加刚体Rigidbody组件。添加操作非常简单，可以在球体的Inspector检视视图下面点击“Add Component”。

我们在搜索框中输入“ri”，就会在下拉框中就能看到“Rigidbody”组件，注意不要选择“Rigidbody 2D”，这个虽然也是刚体，但是它是用于2D游戏对象的。我们是这里要选择的是3D的“Rigidbody”组件。

在“Rigidbody”刚体组件下有很多参数，我们暂时先不介绍，直接运行工程来查看添加刚体组件后的球体会有什么效果。如下所示：

运行后，我们发现球体直接落到了平面上面。这是因为，给球体添加刚体组件后，球体就会受到“重力”的作用，沿着Y轴方向向下掉落，直到碰到平面而停止。这个“重力”就是“Rigidbody”刚体组件产生的效果。刚体会接管附加到的游戏对象的运动，如果我们施加一个力来推动游戏对象的话，Unity会自动计算该游戏对象的运行效果。如何施加一个力呢？我们点击菜单栏“Component”->“Physics”->“Constant Force” 恒定力组件。

我们在“Constant Force” 恒定力组件的Force参数的X值修改为2，也就是在X轴方向上施加数值为2的一个力来作用于当前球体。我们运行工程，查看效果。

我们发现球体受到重力作用掉落后，还同时受到X轴方向的力而向右继续运动。但是，有时候我们不希望游戏物体以这样的方式运行，因此我们需要游戏对象的运动摆脱Unity物理引擎的控制。刚体组件有一个名为 Is Kinematic 的属性，该属性可以让刚体摆脱物理引擎的控制，并允许通过脚本以运动学方式来移动刚体。接下来，我就来讲解刚体的一些参数。

Mass 游戏对象的质量（默认单位为千克）。

Drag 游戏对象移动时受到阻力的大小，0 表示没有阻力。

Angular Drag 游戏对象旋转时受到阻力的大小，0 表示没有角阻力。

Use Gravity 如果启用此属性，则对象将受重力影响。默认是启用状态。

Is Kinematic 如果启用此选项，则对象将不会被物理引擎驱动，上文中已经提到。

Interpolate 仅当在刚体运动中看到抖动时才尝试使用提供的选项之一。

- None 不应用插值。

- Interpolate 根据前一帧的变换来平滑变换。

- Extrapolate 根据下一帧的估计变换来平滑变换。

Collision Detection 用于防止快速移动的对象穿过其他对象而不检测碰撞。

Discrete为默认值，表示对场景中的所有其他碰撞体使用离散碰撞检测。

Constraints 对刚体运动的限制，可以限制在X/Y/Z某一轴向上移动或旋转。我们展开下面有两个子项，分别是冻结位置和冻结旋转，每一个冻结子选项都分为X,Y,Z三个轴向的冻结。如果当刚体操作游戏物体运动的时候，不会在这些轴向上产生移动或旋转。

在上面的案例中，我们使用“Constant Force” 恒定力组件给球体施加一个力，让其产生运动。如何使用脚本来使用刚体控制物体运动，或者说如何使用脚本给游戏对象施加一个力呢？首先，我们先取消“Constant Force” 恒定力组件，如下所示

我们只需要取消“Constant Force”组件前面的勾选项即可。接下来，我们创建一个脚本SphereScript.cs，然后附加到球体上面，代码如下所示

using System.Collections;
using System.Collections.Generic;
using UnityEngine;

public class SphereScript : MonoBehaviour
{
    // 刚体组件
    private Rigidbody rbody;

    // Start is called before the first frame update
    void Start()
    {
        rbody = GetComponent<Rigidbody>();
    }

    // Update is called once per frame
    void Update()
    {
        if (Input.GetKeyDown(KeyCode.A))
        {
            rbody.AddForce(Vector3.right * 100);
        }
    }
}

上述代码就是，当我们按下键盘A键的时候，使用刚体的AddForce方法给球体施加一个Vector3.right方向，大小为100。这里需要注意的是，AddForce施加的力在 FixedUpdate 中计算，而FixedUpdate时间间隔一般是0.02秒。代码完成之后，我们还需要做一个非常关键的设置，就是取消Use Gravity，如下所示

这样，球体就不再受重力影响掉落到平面上面了。我们可以Play运行一下。

我们发现，球体不再掉落下来，并且当我们按下A键的时候，球体向右开始移动。我们知道，移动的物体，最重要的是速度。当我们给物体施加一个力的时候，这个速度与力的关系是如何呢？我们修改一下代码，打印刚体的速度velocit 值。

    // Update is called once per frame
    void Update()
    {
        if (Input.GetKeyDown(KeyCode.A))
        {
            rbody.AddForce(Vector3.right * 100);
        }
        Debug.Log(rbody.velocity);
    }

我们增加一个日志，输出游戏物体的速度。我们重新Play工程

我们发现，当我们施加一个力的时候，球体开始运动，X轴向速度是2.0。这个数值是怎么计算得来的呢？首先了解一下动量定理：物体在一段时间Δt内的动量变化量等于它在这个过程中所受力的冲量，也就是力与力的作用时间的乘积，数学表达式为：FΔt = mΔv 。其中F就是这个力的大小，Δt就是这段时间，m就是物体的质量，Δv表示这段时间的平均速度。我们球体对象的质量mass为1（在Rigidbody组件中设置的），然后给它一个X轴正方向大小为100的力。AddForce方法还有第二个参数ForceMode，代表施加力的类型。ForceMode为枚举类型，有4个枚举成员：ForceMode.Force，ForceMode.Acceleration，ForceMode.Impulse，ForceMode.VelocityChange。

他们代表的含义如下所示：

ForceMode.Force 默认方式，使用刚体的质量计算，以每帧间隔时间为单位计算动量。我们上面已经说了FixedUpdate按0.02s秒计算，则由动量定理公式FΔt = mΔv可得，速度v = FΔt / m = 100 * 0.02 / 1 = 2.0米/秒。也就是说，刚体1秒移动2米的距离。

ForceMode.Acceleration表示忽略游戏对象的质量（相当于质量固定为1）。

ForceMode.Impulse 表示采用瞬间力作用方式，即把Δt的值默认为1，速度会变快。

ForceMode.VelocityChange 表示忽略质量和时间（两者均固定为1），速度就更加快了。

最后，我们要讲解一下刚体的阻力Drag值。在现实世界中，物体移动一定会受到阻力的影响，其速度会慢慢减少，最终停止运动。在Unity中，为了能够让物体运动一段距离后停止，我们可以给刚体组件增加阻力Drag值。接下来，我们给刚体增加1的阻力值。

然后，我们在重新Play工程，查看日志中速度的变化。

我们发现，刚体的速度从2.0开始依次减少0.1的速度。阻力与速度之间的公式是什么呢？网上查询了PhysX得知：velocity = velocity * ( 1 - deltaTime * drag); 也就是说，速度会随着每帧的执行，越来越小，直到为零。假如阻力为1的话，游戏对象会在运动1秒后速度减小到零（静止不动）。也就是说，不管施加的力有多大，当阻力为1的时候，游戏对象都会在1秒后静止。但是，从我们实际的运行情况来看，好像也没有那么的准确。而且，如果发生碰撞的话（球体在平面上），速度也会不断减少。

我们总结一下：刚体可以接受力和扭矩，力可以让刚体对象移动，扭矩可以让刚体对象旋转，向刚体施加力/扭矩实际上会改变对象的变换组件的位置和旋转。我们可以通过刚体的AddForce或AddTorque方法来给游戏对象添加力或者扭矩。但是，在实际开发中，我们可能取消Use Gravity重力影响，勾选Is Kinematic属性，使用代码控制游戏对象平移或旋转变换。两者各有各的优势，刚体可以模拟现实世界的运动效果，而代码控制更加灵活。并且，刚体组件一般都是搭配碰撞体组件一起使用的。另外，当处于休眠模式的刚体收到外界的影响时候，刚体会被唤醒，继续参与物理运算。如果希望通过脚本来控制刚体的休眠状态，可以调用刚体的Sleep和WakeUp方法让刚体进入休眠或者从休眠中唤醒。