JultikaUniversity of Oulu repository

Abstract

Multiple physics phenomena and how they behave when the environment is 1000 times smaller on each axis were researched, and a simulation of such an environment was implemented within Unity, running in virtual reality in realtime. In biggest focus is drag, which resists objects’ movement through air or other matters. The results show that drag is much more significant in smaller scale and the calculation are required to be more complex than in normal scale in order to be accurate. A numerical solution was implemented to calculate the motion of a flying sphere that is affected by drag, and its drag coefficient affected by its current Reynolds number. Although an analytical solution for this scenario could not be found, the numerical solution was validated using a simplified scenario, where an object falls with a constant drag coefficient. The numerical solution was compared to an analytical solution in this scenario, and the numerical implementation was found to be sufficiently accurate.

As gravity is constant regardless of scale, objects appear to fall very quickly in small scale. Therefore, a system was created to scale the passing of time such that the perceived speed of motion is the same regardless of scale, which allows the user to act naturally in this scaled down environment. This also allows us to experience the difference in the drag force first-hand. Other explored topics include visuals of the environment, surface tension and adhesive forces among other things. Of these other topics, surface tension was also implemented for the scenario of a sphere attempting to break through a flat water surface.

Unity was found to be suitable for these tasks through bypassing the built-in physics and controlling the objects’ movement through a custom script.

Although some phenomena were implemented successfully, it was also found that a complete simulation of all relevant phenomena could be a large undertaking. However, there remain other aspects worth exploring related to small-scale in order to reach a better understanding of it.

Mikroskooppisten ympäristöjen mallinnus virtuaalitodellisuuteen

Tiivistelmä

Useita fysiikan ilmiöitä, ja miten ne käyttäytyvät, kun ympäristö on 1000 kertaa pienempi jokaisella akselilla tutkittiin, ja simulaatio sellaisesta ympäristöstä toteutettiin, joka pyörii virtuaalitodellisuudessa reaaliajassa. Huomion keskipisteenä on ilmanvastus, joka vastustaa esineiden liikettä ilman tai muun aineen läpi. Tulokset osoittavat, että ilmanvastus on paljon merkittävämpi pienessä mittakaavassa, ja sen laskelmat vaativat monimutkaisempia laskelmia kuin tavallisessa mittakaavassa ollakseen tarkkoja. Numeerinen ratkaisu toteutettiin laskemaan lentävän esineen liikkeen, johon vaikuttaa ilmanvastus, ja sen ilmanvastuskerroin perustuu esineen sen hetkiseen Reynolds numeroon. Vaikkakin analyyttistä ratkaisua tällä tilanteelle ei löytynyt, numeerisen ratkaisun pätevyys perusteltiin käyttäen yksinkertaistettua tilannetta, jossa esine putoaa vakio ilmanvastuskertoimella. Numeerista ratkaisua verrattiin analyyttiseen ratkaisuun tässä tilanteessa, ja numeerisen ratkaisun todettiin olevan riittävän tarkka.

Koska painovoima on vakio riippumatta mittakaavasta, esineet vaikuttavat putoavan hyvin nopeasti pienessä mittakaavassa. Siitä syystä luotiin systeemi, joka muuttaa ajankulun nopeutta niin, että havaittu esineiden liikkeen nopeus on same riippumatta mittakaavasta, mikä sallii käyttäjän toimivan luonnollisesti tässä kutistetussa ympäristössä. Tämä myöskin mahdollistaa saamaan ensikäden kokemuksen erosta ilmanvastuksessa. Muita tutkittuja aiheita ovat ympäristön ulkonäkö, pintajännitys, adheesio ja muita aiheita. Näistä aiheista pintajännitys toteutettiin siinä tilanteessa, kun pallo pyrkii läpäisemään tasaisen veden pinnan.

Unity todettiin olevan sopiva näihin tehtäviin ohittamalla sen sisäänrakennetun fysiikka toteutuksen ja ohjaamalla esineiden liikettä erillisen skriptin avulla.

Joskin joitain ilmiöitä toteutettiin onnistuneesti, oli myös huomattavissa, että täysvaltainen jokaisen olennaisen ilmiön simulaatio voisi olla suuri urakka. Kuitenkin, pieneen mittakaavaan liittyviä ilmiöitä olisi kannattavaa tutkia lisää, jotta saisimme kokonaisemma kuvan siitä.