Unity 之物理引擎中三种刚体力施加方式详解

- [1. 概述](#1. 概述)
- [2. 核心概念对比](#2. 核心概念对比)
- [3. 方式一：直接设置速度 (`velocity = v3`)](#3. 方式一：直接设置速度 (velocity = v3))
- - [3.1 原理](#3.1 原理)
  - [3.2 关键特性](#3.2 关键特性)
  - [3.3 使用场景与示例](#3.3 使用场景与示例)
  - [3.4 注意事项](#3.4 注意事项)
- [4. 方式二：施加力 (`AddForce`)](#4. 方式二：施加力 (AddForce))
- - [4.1 原理](#4.1 原理)
  - [4.2 ForceMode 详解](#4.2 ForceMode 详解)
  - [4.3 使用场景与示例](#4.3 使用场景与示例)
- [5. 方式三：在指定点施加力 (`AddForceAtPosition`)](#5. 方式三：在指定点施加力 (AddForceAtPosition))
- - [5.1 原理](#5.1 原理)
  - [5.2 关键特性](#5.2 关键特性)
  - [5.3 使用场景与示例](#5.3 使用场景与示例)
- [6. 总结与最佳实践](#6. 总结与最佳实践)

1. 概述

在 Unity 物理系统中，对刚体施加力或改变其运动状态是游戏交互的基础。根据不同的物理模拟需求和效果目标，开发者主要有三种核心方式可以影响刚体的运动。理解它们的原理、差异和适用场景，对于实现预期且稳定的物理行为至关重要。

2. 核心概念对比

下表从核心原理上对比了三种方式的关键差异：

特性	`velocity = v3`	`AddForce(v3)`	`AddForceAtPosition(v3, position)`
作用原理	直接赋值，覆盖速度	施加力，由物理引擎计算加速度	在特定点施加力，可能产生扭矩
物理真实性	低（类似"瞬移"）	高（遵循 F=ma）	高（模拟真实力矩）
质量影响	无视质量	受质量影响（`Force`/`Impulse`模式）	受质量和作用点影响
是否产生旋转	否	否（力的作用线通过质心）	是（作用点偏离质心时）
性能开销	最低（直接赋值）	中等（引擎计算）	最高（计算力与扭矩）
主要用途	重置状态、精确控制	通用物理驱动（推进、跳跃等）	复杂物理效应（旋转、转向等）

3. 方式一：直接设置速度 (`velocity = v3`)

3.1 原理

通过直接修改 Rigidbody.velocity 属性，立即、无条件地设定刚体的线速度矢量。此操作完全绕过物理引擎的力计算过程。

3.2 关键特性

瞬时生效：速度在赋值帧立即改变。
违反物理直觉 ：不遵循牛顿第二定律（F=ma），忽略物体的质量和现有动量。
无旋转效应：仅改变线速度，不改变角速度。

3.3 使用场景与示例

适用于需要"结果导向"而非"过程模拟"的控制。

csharp 复制代码

// 场景1：将玩家速度立即归零（如碰到障碍物）
playerRigidbody.velocity = Vector3.zero;

// 场景2：实现平台角色的恒定水平移动（不受斜坡等影响）
void FixedUpdate() {
    if (isGrounded) {
        // 直接赋予一个水平速度，实现稳定移动
        playerRigidbody.velocity = new Vector3(moveInput * moveSpeed, playerRigidbody.velocity.y, 0);
    }
}

// 场景3：太空游戏中无阻尼环境下的推进
void ApplyThrust() {
    // 在太空中，简单直接的速度增量可能更符合直觉
    playerRigidbody.velocity += transform.forward * thrustIncrement;
}

3.4 注意事项

滥用此方式会导致运动生硬、不自然，并可能引发诡异的碰撞行为。通常仅在 FixedUpdate 中使用，以保证与物理更新的同步。

4. 方式二：施加力 (`AddForce`)

4.1 原理

调用 Rigidbody.AddForce 方法，对刚体的质心施加一个力矢量。物理引擎会根据力的大小、方向、作用模式以及刚体的质量，计算出加速度并积分得到速度变化。这是模拟真实受力最常用的方法。

4.2 ForceMode 详解

力的行为通过 ForceMode 参数精确控制。

模式	计算公式（概念）	质量影响	时间影响	典型场景
ForceMode.Force (默认)	`force` (牛顿)	是 (a = F/m)	持续 (力作用于整个固定更新周期)	持续推力（如火箭发动机）、风力、缓坡重力
ForceMode.Impulse	`force` (牛顿秒)	是	瞬时 (力在单个固定更新周期内全部施加)	爆炸冲击、子弹击中、瞬间跳跃
ForceMode.VelocityChange	`Δv` (米/秒)	否	瞬时	直接改变速度，忽略质量（如角色空中突然变向、台球击打*）
ForceMode.Acceleration	`a` (米/秒²)	否	持续	提供恒定加速度，无视质量（如特定游戏中的重力场）

*注：对于你之前的台球问题，使用 VelocityChange 是确保不同设备、不同质量的球获得相同初始速度的推荐方案。

4.3 使用场景与示例

适用于绝大多数需要物理真实感的场景。

csharp 复制代码

// 场景1：车辆前进（持续力）
void FixedUpdate() {
    float engineForce = inputVertical * enginePower;
    carRigidbody.AddForce(transform.forward * engineForce, ForceMode.Force);
}

// 场景2：玩家跳跃（瞬间冲量）
void Jump() {
    if (isGrounded) {
        playerRigidbody.AddForce(Vector3.up * jumpPower, ForceMode.Impulse);
    }
}

// 场景3：解决设备差异的台球击打（瞬时速度改变）
void StrikeCueBall(Vector3 direction, float power) {
    cueBallRigidbody.AddForce(direction * maxSpeed * power, ForceMode.VelocityChange);
}

5. 方式三：在指定点施加力 (`AddForceAtPosition`)

5.1 原理

调用 Rigidbody.AddForceAtPosition(Vector3 force, Vector3 position)。此方法不仅会在刚体上施加一个力（导致线性运动），还会因为力的作用点 (position) 可能不在质心而产生一个扭矩（导致旋转运动）。

5.2 关键特性

力与扭矩 ：效果等价于在 position 点施加 force，物理引擎会自动分解为作用于质心的力和一个使物体旋转的力矩。
位置敏感：施力点离质心越远、力的方向与质心连线方向越垂直，产生的旋转效果越强。
计算复杂：开销高于前两种方式。

5.3 使用场景与示例

适用于需要模拟真实世界中"推一个点"导致物体既移动又旋转的效果。

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// 场景1：台球加塞（制造旋转球）
void StrikeWithSpin(Vector3 hitDirection, float power, Vector3 localSpinOffset) {
    // 计算世界空间下的击打点（偏离球心）
    Vector3 hitPointWorld = cueBallTransform.position + cueBallTransform.TransformDirection(localSpinOffset);
    // 在偏离点施加力，球将一边前进一边旋转
    cueBallRigidbody.AddForceAtPosition(hitDirection * power, hitPointWorld, ForceMode.VelocityChange);
}

// 场景2：开门（在门把手处推拉）
void InteractWithDoor(Vector3 playerPushDirection) {
    // doorHandlePosition 是门把手的世界坐标
    doorRigidbody.AddForceAtPosition(playerPushDirection * pushStrength, doorHandlePosition, ForceMode.Force);
}

// 场景3：物理破坏（让物体被击中后旋转着飞出去）
void OnCollisionEnter(Collision collision) {
    if (collision.relativeVelocity.magnitude > breakThreshold) {
        // 在碰撞点施加一个力
        foreach (ContactPoint contact in collision.contacts) {
            debrisRigidbody.AddForceAtPosition(collision.impulse * 0.5f, contact.point, ForceMode.Impulse);
            break;
        }
    }
}

6. 总结与最佳实践

追求物理真实性与交互 ：优先使用 AddForce，并根据力是持续还是瞬时选择合适的 ForceMode (Force/Impulse)。
解决一致性与控制问题 ：当需要确保不同质量的物体获得相同速度变化 时，使用 AddForce(..., ForceMode.VelocityChange)。这是解决你之前遇到的"设备间力度不一致"问题的核心方案之一。
实现复杂物理效果 ：当需要物体受力后同时产生移动和旋转 时（如推一个箱子的一角），使用 AddForceAtPosition。
进行状态重置或顶级控制 ：当物理真实性不重要，或者需要绝对、即时的速度控制 （如将物体速度归零、设定传送后的初始速度）时，可以直接设置 velocity。
性能考量 ：在性能敏感的场景（如大量物理对象），优先选择更简单的方式。velocity 赋值性能最优，AddForceAtPosition 开销最大。
更新时机 ：所有对刚体的操作（除变换 Transform）都应在 FixedUpdate 中进行，以保证与物理引擎的同步，避免因帧率波动带来的行为不一致。

结合桌球项目 ：对于主击打逻辑，强烈推荐使用 AddForce 配合 ForceMode.VelocityChange。若要实现加塞（旋转球）的高级技巧，则需使用 AddForceAtPosition 并精心计算偏离质心的击打点。同时，通过锁定游戏帧率（如Application.targetFrameRate = 60）和控制物理时间步长（Time.fixedDeltaTime），可以最大程度地消除不同设备间的表现差异。

Unity 之 物理引擎中三种刚体力施加方式详解

Unity 之 物理引擎中三种刚体力施加方式详解

1. 概述

2. 核心概念对比

3. 方式一：直接设置速度 (velocity = v3)

3.1 原理

3.2 关键特性

3.3 使用场景与示例

3.4 注意事项

4. 方式二：施加力 (AddForce)

4.1 原理

4.2 ForceMode 详解

4.3 使用场景与示例

5. 方式三：在指定点施加力 (AddForceAtPosition)

5.1 原理

5.2 关键特性

5.3 使用场景与示例

6. 总结与最佳实践

Unity 之物理引擎中三种刚体力施加方式详解

Unity 之物理引擎中三种刚体力施加方式详解

3. 方式一：直接设置速度 (`velocity = v3`)

4. 方式二：施加力 (`AddForce`)

5. 方式三：在指定点施加力 (`AddForceAtPosition`)