【Unity300个技巧】牛顿的学问！如何优雅地使用力？

Unity 提供了一个完备且强大物理引擎。但在刚接触的时候，你可能会对它与现实物理规律对应有一些疑惑。
比如：

• 现实中 1N 的力在 Unity 中怎么表现？
• Unity 中物体的质量是计算的？
• Unity 中给物体添加力的方法是 rb.AddForce()，但却又提供了4种力的模式，为什么呢？

本文章，我们就来探讨一下以上的问题。

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Unity 中力的单位

在 Unity 中，rb.AddForce()是给物体添加一个力的方法，传参是向量对象，向量的 x ，y，z 代表这方向，值代表力的大小。

这里可能会让人疑惑，这里力的单位是什么呢？是否对应现在中的力的单位 N ？
要验证这个点，最好的办法就算找一个物理学中常量，看这个常量在 Unity 中是多少。
毫无疑问，重力就是我们心中的那个常量。
在现实中，重力约等于 9.81N。
在Unity 中，我们可以在设置里看到重力的默认值，在Y轴方向的大小也是9.81。

所以，我们可以认为，传参向量值的单位等于现实中的 N。
我们可以验证一下。
在一个只有重力的场景，我们添加一个9.81的相对于重力反方向的力，物体时静止的。

代码实现

public class TestGravity : MonoBehaviour
{

    private Rigidbody2D _rigidbody2D;
    [Header("向上的力")]
    [SerializeField]
    private float _force;
    
    void Start()
    {
        _rigidbody2D = transform.GetComponent<Rigidbody2D>();
    }

    private void FixedUpdate()
    {
        _rigidbody2D.AddForce(new Vector3(0, _force, 0));
    }
}
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运行一下。
一开始，赋予一个9.81N向上的力时，人物时静止的。当逐渐增加力后，人物向上移动了。

Unity 中物体的质量

在物理学中，涉及到力的计算肯定离不开物体的质量。
在 Unity 中，我们可以认为单位是kg，因为这有助于我们计算。其实这个单位并不太重要，它在 Unity 引擎中的作用只是用于描述两个物体之间相对差异，比如两个物体质量分别是 10 和 100，可以确定的是 100 质量的物体是 10 质量物体的 10 倍重。

举个例子。
从上面公式中得知，同一个力的大小作用在不同物体上，因为质量不同，物体移动的加速度就会不一样。

因此，在游戏里，我们不需要知道质量的单位是多少，只需要维护好每个对象的质量相对值就可以了。
当游戏体量上来后，去维护他们的质量数值也比较麻烦。所以在 2D 模式下，Unity 提供了一个功能，自动计算质量。

当选择启用自动质量后，Unity 会根据 物体的密度和面积自己计算质量。

举个例子。
我们使用相同的力和相同的密度，只改变物体的面积。
效果如下：

力的模式

从上文我们了解到改变力的大小和质量，从而控制物体的速度。
但是公式 F=ma中，a 只是加速度，不够直观反馈物体的速度。
我们变换一下公式，
F= ma = m v/t, Ft = m v (t 为时间，v 为速度)。

这样我们就可以很直观的得到速度 v 的大小，但也引入多了一个数值-时间。

时间 t 在 Unity 中应该怎么表示呢？
我们知道，为了保证物理模拟正常运行都会把逻辑写在 FixedUpdate 方法里。因此时间 t 就等于固定频率，默认为0.02s。
这样力，质量，时间都知道怎么表示了，我们可以快速算出物体的速度。

但且慢，为了改变物体的速度，我需要控制3个变量，那也太麻烦了把。
Unity 为此提供4种模式，目的就是为了减少开发者需要关心这么多的变量。

看起来很棒，但却又多了一对概念-连续力和瞬时力。无语~
什么是连续力，什么是瞬时力呢？
在我看来，他们之间没有区别。因为给物体添加力，都是在当前帧里完成的，与下一帧无关，根本不存在连续添加力的情况。
那这里的连续力是什么意思呢？
其实是将力的大小乘以每一固定帧的时间间隔 ，F * 0.02s = 当前帧的力大小。
相比于瞬时力，瞬时力是没有乘以时间的 ，相当于 F * 1 = 当前帧的力大小。

为了更好说明问题，我们演示一下。
代码如下：
Force 模式下的代码

public class AddForce_Default : MonoBehaviour
{
    // 赋予2的力
    public float force = 2;
    private Rigidbody2D _rigidbody2D;
    // 移动方向
    private Vector3 dir = Vector3.right;
    
    void Start()
    {
        _rigidbody2D = GetComponent<Rigidbody2D>();
    }

    private void FixedUpdate()
    {
        _rigidbody2D.AddForce(Vector2.right * force,ForceMode2D.Force);
    }
}
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Impulse 模式下的代码

public class AddForce_Impulse : MonoBehaviour
{
    // 赋予2的力
    public float force = 2;
    private Rigidbody2D _rigidbody2D;
    // 移动方向
    private Vector3 dir = Vector3.right;
    
    void Start()
    {
        _rigidbody2D = GetComponent<Rigidbody2D>();
       
    }

    private void FixedUpdate()
    {
        _rigidbody2D.AddForce(Vector2.right * force,ForceMode2D.Impulse);
    }
}
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运行效果：

可以看到在 Force 模式下，角色移动明显慢得多。
那是因为每一固定帧下，Force 模式下只赋予角色 2*0.02 的力，而 Impulse 模式下，赋予角色 2 的力。

为了验证这一点，我们可以将 Impulse 模式下的力改为0.04。
运行效果:

Acceleration 模式和 VelocityChange 模式
在 3D 模式下 ，还会额外多两个模式。在这两个力模式下，都会忽略物体的质量，默认为1。
所以我们只控制力的大小，就可以控制速度大小了。

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