JS物理模拟中移动球体被固定球体卡住无法弹开的问题排查

问题场景 #

基于Matthias Müller《10分钟物理》第3课修改的台球碰撞模拟，采用SVG实现，支持添加球体、设置固定障碍物及暂停功能，但存在移动球被固定球卡住无法逃脱的问题，例如启动后红球会立即被黑球卡住。

问题代码 #

碰撞处理核心逻辑：

function handleBallCollision(ball1, ball2, restitution) {
    const   pushVel = 2.0;
    const   dir = new Vector2();
    dir.subtractVectors(ball2.pos, ball1.pos);
    const   d = dir.length();
    const   rsum = ball1.radius + ball2.radius;
    if (d == 0.0 || d > rsum) return;

    dir.scale(1.0 / d);
    let     corr = (ball1.radius + ball2.radius - d) / 2.0;

    if (ball1.isMoving == 0 || ball2.isMoving == 0) {
        const ball = ball1.isMoving == 0 ? ball2 : ball1;

        ball.pos.add(dir, corr);
        var v = ball.vel.dot(dir);
        ball.vel.add(dir, pushVel - v);
        }
    // else handle case of two balls moving...
}

问题原因 #

1. 位移修正量错误：
   代码中corr = (rsum - d)/2是两个移动球碰撞时的修正逻辑（两球各移动一半距离分离），但当其中一个球固定时，固定球不会移动，移动球需要移动全部的分离距离（rsum - d）才能脱离重叠状态。仅移动一半距离会导致两球始终重叠，下一帧再次触发碰撞检测，形成循环卡顿。

2. 速度调整逻辑不符合物理规律：
   强制将移动球的法线方向速度设置为固定值pushVel，而非基于弹性碰撞的反弹逻辑，可能导致速度方向或大小异常，加剧卡顿现象。

修复方案 #

修改固定球碰撞分支的逻辑，修正位移量并替换为正确的弹性碰撞速度处理：

function handleBallCollision(ball1, ball2, restitution) {
    const dir = new Vector2();
    dir.subtractVectors(ball2.pos, ball1.pos);
    const d = dir.length();
    const rsum = ball1.radius + ball2.radius;
    if (d == 0.0 || d > rsum) return;

    dir.scale(1.0 / d);

    if (ball1.isMoving === 0 || ball2.isMoving === 0) {
        // 区分固定球和移动球
        const fixedBall = ball1.isMoving === 0 ? ball1 : ball2;
        const movingBall = ball1.isMoving === 0 ? ball2 : ball1;

        // 修正位移：移动球移动全部分离距离远离固定球
        const corr = rsum - d;
        movingBall.pos.add(dir, corr);

        // 修正速度：法线方向弹性反弹
        const v = movingBall.vel.dot(dir);
        // 仅当移动球朝向固定球时触发反弹
        if (v < 0) {
            // 移除原法线方向速度分量，添加反弹后的分量
            movingBall.vel.add(dir, -2 * v * restitution);
        }
    } else {
        // 处理两移动球碰撞的原有逻辑...
    }
}

关键改动说明 #

• 位移修正：将corr从(rsum - d)/2改为rsum - d，确保移动球一次性完全脱离与固定球的重叠区域。
• 速度修正：使用弹性碰撞公式，将移动球在法线方向的速度分量反向并乘以恢复系数，仅当移动球朝向固定球时触发，符合真实物理反弹效果。
• 逻辑清晰化：明确区分固定球与移动球，避免混淆碰撞双方的角色。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Ken