Вопрос или проблема
Фон
Я хочу пространственно моделировать системы атомов. Атомы имеют форму сферы, и диаметр всех сфер одинаков. Сферы не могут деформироваться, они стремятся касаться друг друга, но перекрытия не допускаются.
Желательные функции
Графический интерфейс должен позволять размещать сферы в 3D-среде и отображать разные виды. Было бы полезно, если программа учитывает, что сферы не могут перекрываться, и располагает сферы в контакте друг с другом, выстраивает их в линию или приводит сферу в контакт с тремя другими сферами на треугольной решетке. В сцене не должно быть более десяти сфер. Простое размещение возможно, если я могу контролировать, какие сферы касаются, или программа предлагает подходящие позиции.
Дополнительные функции
Эстетика или специальные художественные эффекты не важны, будет достаточно, если цвет любой сферы можно будет выбрать. Установка прозрачности сферы будет необязательной. Также необязательной будет возможность создания анимаций движущихся сфер.
Примеры неудобных программ
Я мог бы использовать Blender, но это универсальное программное обеспечение и не подходит для моей цели. Рендеры на основе кода, такие как Povray или OpenSCAD, также довольно громоздкие.
Вы можете использовать параметрическую программу, такую как OpenSCAD (на базе текста, бесплатная, мультиплатформенная), которая потребует от вас предоставить математику, необходимую для того, чтобы сферы не соприкасались. Часть выравнивания будет основана на местоположениях, предоставленных в момент создания, в то время как аспект касания также применяется.
Например:
Я не программист. Код ниже генерирует изображение в качестве примера, иллюстрирующего самое простое расположение, в котором сферы выровнены и также касаются друг друга. Большую сложность можно получить с использованием более сложной математики. Обратите внимание, что код ниже использует присваивания, хотя можно использовать числовые значения вместо параметров. Большая гибкость достигается при использовании параметров.
$fn = 90;
atom_dia = 4;
color("blue")
sphere(atom_dia);
translate([atom_dia * 2, 0, 0])
color("red")
sphere(atom_dia);
translate([atom_dia * 4, 0, 0])
color("green")
sphere(atom_dia);
translate([atom_dia * -2, 0, 0])
color("yellow")
sphere(atom_dia);
translate([0, atom_dia * 2, 0])
color("purple")
sphere(atom_dia);
Углы и размещение “камеры” можно настроить по желанию перед рендерингом изображения. Анимация также возможна с помощью OpenSCAD, хотя я не квалифицирован, чтобы давать рекомендации по этой функции.
Ответ или решение
Эффективное моделирование соприкасающихся сфер в 3D
Введение
Создание пространственной модели систем атомов с использованием сфер — задача, которая требует внимания к деталям, особенно в контексте предотвращения наложений и обеспечения соприкосновения сфер. Для успешной реализации этой задачи необходима программа, способная обеспечить удобный интерфейс, позволяющий удобно работать с трехмерными объектами, а также учитывать физические ограничения.
Функциональные требования
Согласно описанию задачи, необходимо соблюдение следующих условий:
- Отсутствие наложений: Сферы не должны пересекаться, что требует математического контроля расстояний между центрами сфер.
- Соприкосновение сфер: Сферы должны соприкасаться друг с другом, когда это возможно, что подразумевает выставление их на определённое расстояние — равное диаметру сферы.
- Размещение в линию и треугольной решетке: Удобство в размещении сфер в линию или в конструкции треугольной решетки.
Задачи программирования
Для реализации всех вышеуказанных требований можно использовать программное обеспечение, такого как OpenSCAD, которое предоставляет текстовый интерфейс для генерации 3D-объектов. Это позволяет избежать сложности, связанной с другими графическими редакторами, такими как Blender.
Пример кода
Представленный ниже код в OpenSCAD демонстрирует базовую реализацию расположения сфер в линию:
$fn = 90; // Количество полигонов для сглаживания сферы
atom_dia = 4; // Диаметр атома
color("blue")
sphere(atom_dia); // Первая сфера
translate([atom_dia * 2, 0, 0]) // Положение следующей сферы на два радиуса вправо
color("red")
sphere(atom_dia);
translate([atom_dia * 4, 0, 0]) // Положение третьей сферы
color("green")
sphere(atom_dia);
translate([atom_dia * -2, 0, 0]) // Положение четвертой сферы в другую сторону
color("yellow")
sphere(atom_dia);
translate([0, atom_dia * 2, 0]) // Положение пятой сферы выше
color("purple")
sphere(atom_dia);Дополнительные функции
Хотя эстетика не является приоритетом, полезно было бы иметь возможность выбора цвета сфер и настройки прозрачности. Такие особенности могут улучшить визуализацию и помочь в более эффективной демонстрации исследуемой модели. Также был бы полезен модуль для анимации, однако в OpenSCAD анимация осуществляется через изменение параметров и последующий рендеринг, что может требовать определенных знаний.
Заключение
Моделирование соприкасающихся сфер в трехмерном пространстве является выполнимой задачей при условии использования соответствующего программного обеспечения и правильной настройки. OpenSCAD предоставляет необходимые инструменты для достижения поставленных целей, обеспечивая при этом гибкость в управлении сферическими объектами. Учитывая ваш интерес к простому управлению и точности, этот подход наилучшим образом соответствует вашим требованиям.