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利用 Manim 展示内燃机引擎活塞、连杆与曲柄的运动模拟【下】

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要在 Manim 中展示内燃机引擎中活塞、连杆和曲柄的运动,你需要对这些组件的几何关系和运动进行建模。以下是一个基本的实现思路,可以帮助你创建这种动画模拟。

步骤:

1. 安装 Manim

确保你已经安装了 Manim。如果没有安装,可以使用以下命令:

  1. pip install manim

2. 基础代码结构

创建一个 Python 文件,比如 engine_simulation.py,并开始定义你的动画类。

  1. from manim import *
  2. class EngineSimulation(Scene):
  3. def construct(self):
  4. # 设置基本参数
  5. crank_radius = 1.5 # 曲柄半径
  6. connecting_rod_length = 4 # 连杆长度
  7. # 创建曲柄圆心
  8. origin = np.array([-4, 0, 0]) # 动画中曲柄圆心的位置
  9. # 创建圆以表示曲柄的运动轨迹
  10. crank_circle = Circle(radius=crank_radius, color=BLUE).move_to(origin)
  11. # 创建活塞
  12. piston = Rectangle(width=0.8, height=1.0, color=GREEN)
  13. # 创建曲柄
  14. crank = Line(origin, origin + np.array([crank_radius, 0, 0]), color=RED)
  15. # 将活塞放在初始位置
  16. piston.move_to(origin + np.array([connecting_rod_length + crank_radius, 0, 0]))
  17. # 更新函数用于动画中的运动
  18. def update_system(mob, dt):
  19. # 旋转角度(用时间的变换产生动画效果)
  20. angle = self.time * 2 * PI / 5 # 5秒完成一个完整的旋转
  21. # 更新曲柄位置
  22. crank_end = origin + np.array([crank_radius * np.cos(angle), crank_radius * np.sin(angle), 0])
  23. crank.put_start_and_end_on(origin, crank_end)
  24. # 计算连杆的另一端(与活塞连接的点)
  25. x_piston = crank_end[0]
  26. y_piston = np.sqrt(connecting_rod_length**2 - (x_piston - origin[0])**2) + origin[1]
  27. # 更新活塞位置
  28. piston.move_to([x_piston, y_piston, 0])
  29. # 添加所有元素到场景
  30. self.add(crank_circle, crank, piston)
  31. # 使三者动态更新
  32. self.add_updater(update_system)
  33. # 运行动画
  34. self.wait(10)
  35. # 运行动画应使用以下命令
  36. # manim -p -ql engine_simulation.py EngineSimulation

说明:

  1. 曲柄圆心:这是曲柄旋转的中心,通过一个简单的位置偏移来定义。
  2. 运动更新函数:每一帧更新曲柄和活塞的位置。曲柄转动带动活塞的直线运动。
  3. Manim 动画管理:使用 add_updater 对象实时更新动画,每帧计算和更新几何形状的位置。

运行

确保你在命令行中正确调用 Manim 来运行这个 Python 文件,并可视化内燃机的运动。

  1. manim -p -ql engine_simulation.py EngineSimulation

调整参数如 crank_radiusconnecting_rod_length,以更好地展示运动的各个阶段。可以根据需要进一步美化不同组件的颜色和样式。

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