Lampa lava: konwekcja, napięcie powierzchniowe i renderowanie metaballów w czasie rzeczywistym

Dwa cieczy, jedna sztuczka z gęstością

Przegłosowa lampa zawiera dwie cieczy, które się nie mieszają, najczęściej substancję opartą na wapiu i jasną mieszaninę wody i rozpuszczalnika. W normalnych warunkach pokojowych twarda substancja wapiowa jest lekko gęstsza niż otaczające ją ciecz i znajduje się na dole jako twardy kawałek. Sztuczką, która sprawia, że całość działa, jest to, że gęstość wapiowej substancji zmienia się szybciej z temperatury niż gęstość otaczającej cieczy, co oznacza, że mała ilość ogrzewania wystarczy, aby odwrócić, która z nich jest gęstsza.

Cykl konwekcji: grawitacyjność spotyka się z rozszerzeniem termalnym

Bulb lub element ogrzewajacy w podstawie ciepłuje olejek najbliżej siebie. Jako że prawie wszystkie materiały, olejek rozszerza się przy podwyższonym temperature, co spowodowuje jego zmniejszenie masy objętościowej. Gdy staje się mniej masoobjętościowe niż płyn wokół niego, grawitacyjność przynosi go na górę jako blok ruchomego. Dystans od źródła ciepła blisko szczycia lampy olejek stopnia się i zacina, ponownie staje się masoobjętościowe, a opada do podstawy, aby ponownie być ogrzana - to samo podstawowe mechanizm, który steruje wzorami pogodowymi w atmosferze i konwekcją mantelu pod warstwą krzeseł Ziemi, tylko na znacznie mniejskim i łagodniejszym skalę.

Dlaczego obluki pozostają w kształcie kulistej zamiast rozpuszczać się

Wax i otaczający go płyn są chemicznie niezmiernicowe - prosto mówiąc, nie roztwierdzają się nawzajem, podobnie jak oleju do wody. Na granicy dwóch płynów napięcie powierzchniowe działa jak naciągnięta elastyczna skóra, próbując minimalizować pole kontaktowe, co jest przyczyną tego, że pływaca kula waxa samodzielnie przybiera na kształt gładkiego, kulistej formy zamiast rozszerzać się na cienką warstwę. Gdy dwa obluki się natkną, to samo napięcie powierzchniowe pozwala im łączyć się w jedną większą kule, zamiast oddawać się odległości, tworząc tymczasowy cienki łącznik, który rozszerza się podczas ukończenia łączenia.

Metaboly: renderowanie wąsień, które łączą się płynnie

Symulacja pełnych dynamiczności płynów dwóch niezmienniczych cieczy w czasie rzeczywistym oraz śledzenie dokładnej granicy każdego kropli jest kosztowna. Dreszczyk mniej kosztujący i przekonujący z wykorzystaniem grafiki komputerowej to metabola: zamiast gęstego siatki, każda wąsina jest reprezentowana jako gładka pole skalarny, które osiąga maksimum w centrum i maleje o odległość, a widoczna powierzchnia jest rysowana tam, gdzie suma pola każdego bliskiego metabola przekracza ustalony próg.

pole(p) = sumowanie po wszystkich metabolach i: radius_i^2 / dot(p - center_i, p - center_i) powierzchnia = { p : pole(p) >= próg } // rysowane na piksel w shaderze fragmentu Ponieważ pola łączą się addytywnie, dwie metaboly zbliżające się do siebie powodują, że ich kombinowana wartość pola wzrasta między nimi przed dotknięciem ich widocznych powierzchni, co oznacza, że renderowany kształt rozciąga się w mostek łączący je i łączy się płynnie - wizualnie identyczne do rzeczywistej łączenia się powierzchni napinania się, osiągniętego poprzez ocenę pola na piksel w shaderze GLSL zamiast rzeczywistego solvera płynów.

field(p) = sum over all blobs i of  radius_i^2 / dot(p - center_i, p - center_i)
surface  = { p : field(p) >= threshold }     // drawn per-pixel in the fragment shader

Często zadawane pytania