Физика трехмерных волос

Создатели анимационных 3D-фильмов всегда стараются передать через внешность определенные черты характера своих героев. Герои получают чаще всего светлые улыбчивые лица и стройные фигуры, в то время как антагонистов выдают морщины и злобные глаза.

Однако и те и другие чаще всего получают нечто общее во внешности ? прямые жесткие волосы, которые лишь крайне редко колышутся при движении ? разве что встают дыбом.

Проблема состоит в том, что у компьютерных мультипликаторов до сих пор не было простого алгоритма для описания вьющихся волос, да еще и в движении.

Но теперь, возможно, все изменится. Ведь в сегодняшней статье в журнале Physical Review Letters исследователям из Массачусетского технологического института (MIT) и университета Пьера и Марии Кюри во Франции впервые удалось представить детальную модель трехмерной пряди вьющихся волос.

Работа ученых может найти практическое применение не только при создании компьютерной анимации, но и, например, помочь инженерам предсказать, насколько изогнется кабель, при наматывании на катушку для дальнейшей транспортировки. В конце концов, волосы, как и трубки или пучки кабеля, с точки зрения физики являются не чем иным, как множеством тонких и гибких стержней.

Наши расчеты, к сожалению, не учитывают взаимодействие отдельных волос на голове между собой, важный эффект, который может значительно изменить «прическу», созданную компьютером. Зато нам удалось математически описать, как изменятся свойства целого пучка волос при искривлении по всей длине.

? Педро Рейс, Массачусетский технологический институт

Проблему математического описания волос затрагивал еще Леонардо да Винчи в своих записных книжках. В 1744 году великий математик Леонард Эйлер вывел уравнение равновесия тонких стержней, которое, однако, не имеет точного решения в общем случае. В прошлом году Реймонд Голдстейн математически описал хвост пони, используя методы статистической физики.

Группа Педро Рейса сосредоточилась на свойствах отдельного вьющегося волоса с учетом силы притяжения, что является совсем нетривиальной задачей нелинейной физики. Ученые проводили лабораторные эксперименты, использовали теоретические расчеты и компьютерные модели, сосредоточившись на двух безразмерных параметрах: отношению кривизны волоса к его длине и отношению веса к сопротивляемости.

Имея в своем распоряжении данные о кривизне, длине, весе и сопротивляемости материала, представленная модель позволяет точно предсказать трехмерную форму кучерявого волоса или сетевого кабеля, например, провисшего под собственным весом.