第二节 动画与物质的特性

一、牛顿运动定律在动画中的应用

一个动画家经常问他自己的主要问题是：“当一个力加于某物体上时，该物体将会怎样？”他的动画做得成功与否，在很大程度上取决于他回答这个问题的正确性。自然界所有的物体都有自己的重量、结构和不同程度的柔韧性，所以，当外力加于其上时，每种物体都有符合自己特性的反应，这种反应是位置与时间的组合，这就是动画的基础。

动画由图画组成，这些图画本身既没有重量，也没有任何力加于它们上面。在某些抽象的动画中，图画还可以被处理为活动的平面图案。为了使动作有真实感，动画家必须参照牛顿运动定律。牛顿运动定律包括很多方面，其中包含使角色、物体活动起来的一切必要知识。当然，不是从字面上去理解这些定律，而是从对物体运动的观察中去理解。例如，人人都知道物体不会从静止状态中突然开始动作，即使是一发炮弹，发射时也要加速到最大速度。物体也不会从运动中突然静止，当一辆汽车撞在水泥墙上，在最初的撞击后仍然向前冲，随后它才快速塌下，成为残骸。动画动作的精髓或核心不是物体重量的夸张，而是去夸张重量的趋向和特性。

每一个物体都有重量，只有在受力时才开始运动。这是牛顿运动的第一定律，具体表现为：任何物体在没有受到外力作用时，都保持原有的运动状态不变。自然界的一切物体都是因为受到力的作用才会产生运动。同时，物体在运动过程中，又会受到各种反作用力的影响和制约，使其运动的状态发生各种各样的变化。

物体重量越大，移动它需要的力也越大。一个重的物体比轻的物体有更大的惯性和动能。

一发炮弹，在静止时需要有很大的力去推动它（见图1-12）。当炮弹发射时，炸药的力量作用于炮筒中的炮弹，炸药爆炸的力量很大，有足够的力量使炮弹加速到相当高的速度。

在图1-12中，力使炮弹开始滚动并使之保持等速运动，需要另一个力才能使之停止。假如遇到一个障碍物，炮弹或被阻止，或撞碎障碍，或继续前进，要取决于速度情况。假如在粗糙的表面上滚动，它会很快停止，但假如在光滑的表面上滚动，因摩擦力较小，要滚动相当长的时间才会停止。

因此，在动画片中要表现很重的物体时，动画导演必须用较多的时间来表现动作的开始、停止或改变动向，以使物体有令人信服的沉重感。动画设计人员的任务就是要画出有足够的力加在炮弹上，使它开始移动、停止或转换方向。

一个气球，只需要很小的力去移动它就能使之运动，但空气阻力会使它很快停止动作。（见图1-13）

轻的物体阻力很小。比如图1-13中，推动一个气球，只需手指轻轻一弹就已足够使它加速移动。当它移动时，因动能很小，空气的摩擦力就会使它很快减速，所以它不会移动太远。

图1-12和图1-13这两个图例中都画出了运动的间隔距离，可以看出，如果要在银幕上表现出物体的重量感，完全取决于动画的间隔距离，而不在于动画造型本身，否则再漂亮、再逼真的动画也没有意义。

二、力学原理在动画中的应用

1．动画力学的概念

学好动画运动规律，就一定要了解和掌握物理学中力的理论和规则。用动画的语言表现物体之间的力的关系就是动画力学。

根据科学的理论，我们知道在宇宙中所有物体的运动都是由物体与物体的相互作用产生的，即作用与反作用的道理。而原画与运动规律的设计工作正是在纸上描绘物体的运动，所以了解物体之间的物理运动关系是我们做好原画与运动规律工作的一个前提。真实世界的力的关系要通过动画的处理才能在动画片中合理存在。

力学原理在动画片中的应用，实际上就是动画片根据力学原理，把作用力和反作用力、加速度、减速度等物理现象具体运用到动作设计中去，并且加以充分发挥，使画出来的动作产生特殊的效果，形成动画片动作本身的特性。

在动画制作的过程中要如何画才能正确、合理地反映物体的运动规律呢？要运用动画力学原理，把现实中的力夸张、强化，也可以利用时间所产生的距离感，进而强化动力的效果。例如，弹跳皮球的原画，在现实中我们看不清皮球落地时由于重力产生的变形，而在动画中，皮球落地这一张帧会被设计成一个压扁了的皮球，全部原画、动画完成后在连续播放时，我们就会感觉到动画中皮球的弹力。（见图1-14）

2．作用力与反作用力

在实际生活中，当一个物体受到力的作用，就会从静止状态开始产生运动，在运动过程中的物体又会受到阻力、引力、摩擦力等反作用力的影响，产生运动方式和运动速度上的改变。

例如，被人用力抛出去的皮球受到作用力支配，便会在空中朝前运动。但球在空中因为受到空气阻力（反作用力）的影响，皮球的前进动力就会减弱，速度就会减慢。当作用力逐渐消失，球体受到地心引力（反作用力）的制约，便呈抛物线运动方向落向地面。

又如空中的飞行物体，虽然不用考虑表面摩擦，但多了风和空气阻力的影响。进行动画创作时，我们要以普通的力学原理来大致估量出运动的距离和时间，以及运动过程中的速度。动画片是一种创造性的艺术，因此，打破或颠倒这些法则就可能成为一种常规。（见图1-15）

在作用力、摩擦力、重力的作用下，一定质量的物体从起始位置移动到最终位置，各元素决定了它的速度，而速度体现在动画制作中就是距离和时间。距离是每格动画物体移动的位置差异，而时间则是最终的动画格数。

3．摩擦力的作用

摩擦力的大小取决于物体的重力、接触面积和摩擦表面的光滑程度。重力越大，摩擦力就越大；摩擦表面越粗糙，摩擦力就越大；摩擦力越大，物体运动所受的阻力也就越大。人们滑冰的时候冰面比较光滑，摩擦力小，运动速度相对变化平缓，可以用接近匀速的运动来表现，但在转弯或者有起伏的地方滑冰，就要有加减速度的变化。刹车是强摩擦力的运动，是速度逐渐变小的减速运动。

三、动画力学中弹性运动的运用

在动画运动规律学中不论是有生命的角色还是无生命的物体，它们的夸张性表现都是根据力学原理进行的动画艺术创作，主要有情节夸张、构思夸张、形态夸张、速度夸张，有情绪的夸张、时间的夸张、重力的夸张、行动的夸张和方向的夸张等。下面我们来探讨动画力学中弹性运动的运用。

物体在受到力的作用时，它的形态或体积会发生改变。在物体发生变形时，会产生弹力，当形变消失时，弹力也随之消失。我们把这种因为物体受到外力作用而产生变形的运动称为弹性运动。

任何物体在受到力的作用时都会发生“形变”，不发生形变的物体是不存在的。只是物体质地不同，所受到力的大小不同，因此形变也会不一样。

物理学已证明了任何物体都会发生弹性变形，动画片中可以根据剧情或影片的风格需要，运用夸张变形（压扁与拉长）的手法表现其弹性运动，关键在于何时用、用多少。（美国动画片中运用弹性运动较多。）

1．动画的弹跳规律

弹跳一方面是指利用肌体或器械的弹力向上跳起的动作，比如，人具备弹跳的能力（跳远、跳高、跳绳都属于弹跳运动）。（见图1-16）

弹跳另一方面是指弹起、跳动。比如，皮球因其质感，降落下来着地后会有多次弹起的运动，我们称之为皮球的弹起，这就是弹性运动。

另外，速度、力向下并作用于地面时就产生了弹跳力。

在动画片中经常出现弹性的运动，只因各种物体的质感不同，弹性的大小也不同。比如，皮球落在地面上，由于自身的重力与地面的反作用力，使皮球发生形变，产生弹力，因此，皮球就从地面上弹了起来。皮球运动到一定高度，由于地心引力的作用，皮球落回地面，再发生形变，又弹了起来。（见图1-17）

在图1-17中，皮球沿着一条清晰的轨迹运动。大家可能已经注意到皮球在上、下弹跳时的动作类似。

（1）原画4和5之间，当皮球落下时，速度是增加的，在绘制这两张原画时，注意距离要较远些。

（2）原画5、7、12、14中，当球落下和上升时，球处于“拉长”状态。

（3）原画10中球处于最高点时，运动会慢下来。绘制这张原画时距离要靠近一些，并且球会重新回到最自然且正常的形状。

（4）原画13和6中，当球被撞击时，它会反冲并且会被压扁。

弹性运动规律包含了以上几种运动的特征，同时要注意把握好速度与节奏。（见图1-18）

我们把弹性运动规律运用在动物与人物等角色上的效果见图1-19和图1-20。

在皮球的弹跳运动中，我们可以把效果图画得更好，此时需要加入一个球被挤压前的地面接触图。（见图1-21）

在图1-21中，在原有的基本球体弹跳运动过程中，为了使运动更富有活力和变化，又加入一个球刚刚碰到地面的接触原画，让前面一张画往前让开一些空间，之后再让球压扁，这样在原有的运动中就有了更多的细节变化，令整体动作更为生动与灵活。

下面以青蛙的例子来阐述同样的规律。在图1-22中，先让青蛙的一双前脚接触地面，然后再下蹲；当它再次起跳时继续让它后面的双脚接触地面，然后起跳，这样会使它被赋予新的动作特点。

再比如，图1-23和图1-24演示了人落地及弹起时的运动状态。

在图1-24中，（b）图把（a）图中动作的动态做了一些修缮，改变了一些细节部分，在跳跃的大动作里加入更多的小动作，并进一步地分解了动作，令整体上的动作更加生动、自然。

2．弹性的夸张变形状态

变形是根据力学原理进行艺术夸张的一种手段。

既然物理学已经证明任何物体都会发生变形，那么在动画片中，对于变形不明显的物体，我们可以根据剧情或影片风格的需要，运用夸张变形的手法表现其弹性运动。

当然，弹性变形由于物体质地、重量和受力的大小不同，所产生的弹跳力及变形幅度也会有差异。有的物体变形比较明显，产生的弹力较大；有的物体变形不明显，产生的弹力较小，不容易被肉眼察觉。由于重量和材料的不同，物体与地面接触时的反应是不同的。一些物体，如木块、纸团、人或动物等也能产生弹性变形，因为这类物体的弹力小，变形幅度不是十分明显。如果想让人产生弹性变形，就要对动作姿态进行变形夸张，并且掌握好动作的速度与节奏，这样才会使动作效果更加明显和强烈。

画好物体的变形要注意：①弹性及惯性都存在拉长和压扁的变形形体；②在动画片中的变形很多要依据物体本身的形态及一定的想象力来做，可多临摹作品并进行不断地总结、体会。图1-25展示了动物角色起跳时的压缩与拉伸变形处理。

另外，当一个物体受到强烈的挤压时，它会向上反弹，但是如果它在终止动画时就停在落地点不动，看上去就会像冻住了一样。通常情况下，动画中的物体会逐渐地慢下来，它们一般不会突然地终止（除非试图达到一个突然凝固的效果）。

一般来说，一个物体在恢复它原来的形状过程中会反弹很多次。（见图1-26）

在图1-26中，原画1手提箱落下，原画2强烈压缩，原画3大伸展，原画4小压缩，原画5恢复到原来状态的小伸展。

弹性变形在角色运动中应用广泛，比如，当人物做出重要的动作之前，他先要移向相反的方向，这个移动叫起势，它使剧烈的动作显得更剧烈，因为它给角色加上了更长距离的推力。（见图1-27）

3．弹性运动范例

下面分析一些弹性运动的范例。

在图1-28中，牛力大无比地撞击大树时，身体前倾，因用力过猛，整个身体发生了弹性变形，全身压扁蜷缩，跟随的尾巴也随之有自身的曲线运动。

在图1-29和图1-30中，人物动作柔软、生动，弹性极强。这里设计的动作幅度较为夸张，人物在预备起跳时让我们看到了动画设计师丰富的想象力，动作形态绘制的夸张程度使弹性得以完美地呈现。

图1-31和图1-32中的卡通角色及人物的弹性运动也十分逼真、生动。

四、动画力学中惯性定律的运用

1．惯性定律

人们在大量的生活和工作实践中经过概括认识到：如果一个物体不受任何外力作用，它将保持静止状态和匀速直线运动状态，这就是惯性定律。

由此可知，任何物体都具有一种企图保持它原来的静止状态或匀速直线运动状态的性质，这种性质就叫惯性，如前进中的木块。（见图1-33）

通过上面的实例我们可以看出：一个做匀速直线运动的木块直立在小车上，小车沿着桌面运动，当前进运动着的木块突然被阻而终止运动，由于木块的底部和车面之间有摩擦力，小车也随之停止，但上面的小木块由于惯性作用，还要保持原来的运动状态，所以木块倒向了前方。

惯性定律就是牛顿第一运动定律，是指一切物体在没有受到外力作用（或受到外力作用，但外力的合力为零）时，物体由于具有惯性，总保持静止状态或匀速直线运动状态的一种运动规律。它的实质揭示了力和运动的关系：力不是维持物体运动速度（状态）的原因，而是改变物体运动速度（状态）的原因。两者不是一回事，要注意区分。

2．惯性的表现

（1）一切物体都有惯性，在日常生活中，表现物体惯性的现象是经常可以遇到的。

例如，站在汽车里的乘客，当汽车突然向前开动时，身体会向后倾倒，这是因为汽车已经开始前进，而乘客由于惯性还保持静止状态的原因；当行驶中的汽车突然停止时，乘客的身体会向前倾倒，这是由于汽车已经停止前进，而乘客由于惯性还保持原来速度前进的原因。

（2）当物体受到力的作用时，看是否容易改变原来的运动状态。

有的物体运动状态容易改变，有的则不容易改变。运动状态容易改变的物体，保持原来运动状态的能力小，我们说它的惯性小；运动状态不容易改变的物体，保持原来运动状态的能力大，我们说它的惯性大。

惯性的大小是由物体的质量决定的。物体的质量越大，它的惯性越大；物体的质量越小，它的惯性越小。

例如，一辆重40千克的大型平板车的质量比一辆小汽车的质量要大得多，它的惯性也就比小汽车的惯性大得多，因此大型平板车起步很慢，小汽车起步很快；大型平板车的运动状态不容易改变，小汽车的运动状态则容易改变。

3．惯性变形的状态

动态变形是根据力学的原理进行艺术夸张的一种手段，在动画片中，可把生活里的各种物理现象加以夸大和强调，用形象化的手法将它展示在人们面前。

在惯性运动中，根据力学惯性的原理，夸张形象动态的某些部分叫作惯性变形。在动画片中，常常运用惯性变形的手法来强调运动特性，突出运动效果，以便取得更为强烈的效果。

在运用惯性变形表现时，要经常在我们的日常生活中注意观察，研究和分析惯性在物体运动中的作用，掌握它的规律，将它作为我们设计动作的依据。

在动画片中表现物体的惯性运动时，不能只是按照肉眼观察到的一些现象进行简单的模拟，应该根据这些规律，充分发挥自己的想象力，运用动画片夸张变形的手法取得更为强烈的艺术效果。

在运用夸张变形的手法表现物体的惯性运动时，必须掌握好动作的速度与节奏，速度越快，惯性越大，夸张变形的幅度也越大；反之，就越小。由于变形只是一瞬间，所以只要拍摄几个格，就可迅速恢复到正常形态。夸张变形的幅度大小要以动画片的内容和风格样式来定。（见图1-34）

在图1-35中，汽车在平稳地行驶，因突然地刹车导致前轱辘压扁，后轱辘翘起，整个车身发生较大的翻转，这是惯性较大所产生的强烈效果。

图1-36中疾驰的汽车突然刹车，由于轮胎与地面产生的摩擦力将汽车的预备动作给予夸张的处理，使车身变成圆拱形，车身后座向下压扁挤缩；在行驶过程中车身又极速拉长，车轮则变成倾斜的椭圆形；在刹那间撞击障碍物时，车身由于惯性作用继续向前行进，车身和车轮发生变形，甚至使车辆前翻，这就是在动画动作中运用惯性变形造成急刹车时的强烈效果。

突然停步与突然刹车的惯性运动相似，如图1-37所示。

在动画创作中，我们可以利用弹性和惯性等力学原理，采取夸张、变形这一特殊的手段以求强调动作效果，突出运动特征，给人产生强烈的印象，使动画片的动作更生动、更有特色。

4．表现惯性变形时的要点

（1）必须掌握动作的速度与节奏，速度越快，惯性越大，夸张变形的幅度也越大。

（2）由于变形只是一瞬间，所以只要拍摄几个格，就要迅速恢复到正常形态。

（3）夸张变形的幅度大小要以动画片的内容和风格样式来定。

（4）不要只是按照肉眼观察到的一些现象进行简单的模拟，而是要根据这些规律，运用夸张变形的手法取得更为强烈的动态效果。