物理演算とは何かを完全解説—初心者にも分かる入門ガイド共起語・同意語・対義語も併せて解説！

この記事を書いた人

高岡智則

年齢：33歳性別：男性職業：Webディレクター（兼ライティング・SNS運用担当）居住地：東京都杉並区・永福町の1LDKマンション出身地：神奈川県川崎市身長：176cm 体系：細身〜普通（最近ちょっとお腹が気になる）血液型：A型誕生日：1992年11月20日最終学歴：明治大学・情報コミュニケーション学部卒通勤：京王井の頭線で渋谷まで（通勤20分）家族構成：一人暮らし、実家には両親と2歳下の妹恋愛事情：独身。彼女は2年いない（本人は「忙しいだけ」と言い張る）

はじめに

物理演算とは現実の世界の動きを数値で表して計算するしくみです。日常で感じる物の動きや力の加わり方を、コンピュータ上で近似的に再現することを指します。物理演算はゲームの挙動からロボットのシミュレーション、建築設計の検証まで幅広く使われています。

基本となる要素

物理演算ではいくつかの基本要素を扱います。まず位置と速度と加速度です。位置は物体が今どこにいるかを示し、速度は一秒あたりの移動量、加速度は速度の変化の速さを表します。さらに力と質量も重要です。力が働くと質量に応じて加速度が生じます。

ニュートンの運動法則を使う

物理演算の多くはニュートンの運動法則を使います。力と加速度の関係は加速度は力を質量で割ったものとして表されます。これを使って仮想の世界の物体の動きを決めます。

数値的な近似と時間の刻み

現実の運動は連続ですが、コンピュータは離散的な時間の刻み dt で計算します。dt は小さくすると精度が上がりますが計算量も増えます。代表的な更新方法には次のようなものがあります。

代表的な更新方法

最も基本的なのはオイラー法です。加速度を使って速度を更新し、速度を使って位置を更新します。もう少し安定して精度を上げられる方法としてルンゲクッタ法などがあります。

簡単な例と表

重力だけを考える地上のボールの例を見てみましょう。ボールの初期位置を x0 とし、初期速度を v0 とします。地球の重力加速度を g とし時間間隔 dt で計算します。加速度 a は通常地上では一定の値 g に近いですが風抵抗や摩擦を考える場合は追加の項を加えます。

更新の流れの基本は三つです。加速度を求める、速度を更新する、位置を更新する。この順番を守ると物体の挙動を時間とともに追えます。

<th>項目

説明
位置	物体が今どこにいるかの座標
速度	単位時間あたりの移動量
加速度	速度の変化の割合

地上のボールの例を数値で考えると次のようになります。dt を小さくするとより現実的な動きになります。現実のゲームやアニメーションではこの更新を毎フレームごとに行います。

よくある誤解と注意点

物理演算は現実の世界をそのまま再現するわけではないという点を覚えておきましょう。コンピュータ上の物理は近似であり、物体のパラメータや時間の刻みが変わると挙動も変わります。

もう一つは 数値的安定性です。 dt が大きすぎると計算が不安定になり、物体が暴走したりジャンプしたりします。適切な dt を選ぶことと、摩擦や抵抗といった追加要素を加えることで安定さを保つことが大切です。

学ぶための次のステップ

物理演算を学ぶにはまず基本の運動方程式を理解するのが近道です。その上で小さなシミュレーションを書いてみましょう。オイラー法とルンゲクッタ法の違いを体感するだけでも理解は深まります。

物理演算の関連サジェスト解説

物理演算ゲームとは: 物理演算ゲームとは、ゲームの中で物体が現実のように動くための計算のしくみを指します。プレイヤーが跳ねるボールや転ぶキャラクター、崖から落ちる石など、画面上の物体が重力に従い、力が加わると形や位置を変化させながら動きます。これを可能にしているのが物理エンジンと呼ばれるソフトウェアの機能です。基本的な要素は、質量を持つ物体（剛体）と力の作用、摩擦、空気抵抗、衝突判定と衝突応答、連結や制約です。剛体は座標を追従し、時間を進めるごとに位置と姿勢を更新します。重力は常に下向きの力として働き、ボールが地面に当たると反発する、車が地形を滑走するなど、現実に近い挙動を作ります。衝突判定は「この2つの物体がぶつかったか」を判断する部分です。ぶつかったら反作用を計算して物体の動きを変えます。これには剛体が地面にどう接するか、どう滑るか、どう跳ねるかを決める摩擦係数が関係します。タイムステップと解法: 物理演算は一定間隔で計算を進めます。実時間と物理計算の進み具合を合わせるために、時間をいくつかの小さなステップに分けて更新します。計算が複雑になると処理が重くなるので、現実的には近似的な解法を選ぶことが多いです。実際のゲームでは、物理演算は完全に真実の物理を再現するわけではなく、遊びや体験を優先します。時にはジャンプの感触を作るために跳ね方を若干誇張したり、衝突の反応を滑らかにしたりします。代表的な活用例として、3Dアクションでのキャラクターの歩行、車の挙動、パズルゲームのブロックの組み合わせ、スポーツゲームの挙動などがあります。初心者はまず『力を使って物体を動かす』という基本を理解すると良いです。学ぶ際のポイントとしては、物体には質量があり力には重力・反発・摩擦がある、衝突判定と反発を組み合わせて動かす、物理演算は正確さよりも安定性と遊びやすさを重視する、などです。実務では Unity の PhysX や Unreal の Chaos などのエンジンが使われ、初心者はこれらの仕組みを触って学ぶと入り口が分かりやすいです。
live2d 物理演算とは: live2d 物理演算とは、2Dイラストを動かす Live2D の機能の一つで、髪の毛や衣装などの部品を現実的に揺らすための計算を自動で行う仕組みです。特にキャラクターの動きを自然に見せたいときに使われ、手描きの動きだけでは表現しづらい揺れを再現します。仕組みとしては、部品を細かい点（質点）と、それをつなぐばねでつなぎ、重力や風、体の動きによる力を受けて時間とともに揺らします。Live2D 側では「重力」「ばねの強さ」「ダンピング（減衰）」などのパラメータを調整することで、どのように揺れるかを決めます。さらに「最適化」機能で処理を軽くすることもでき、スマホでも滑らかな動作を目指します。使い方の基本は、まずキャラクターを作成した後、物理演算を適用したい部位を選び、パラメータを設定します。髪の毛や衣装、体の一部は別々に設定すると、頭の動きに合わせて自然に揺れます。次にプレビューで動きをチェックし、必要に応じて重力やばねの強さを微調整します。最後に他のパーツとの干渉を避けるよう、境界の設定やボーンの配列を整えます。初めて触る人は、過度に複雑な設定を一度に作ろうとせず、まずは単純な揺れだけから始めると良いです。物理演算は自然な動きを生む反面、設定次第で不自然に見えることもあります。パフォーマンスにも影響するため、端末に合わせてパラメータを絞ることを忘れずに。この機能を学ぶと、同じイラストでも表情だけでなく、風で髪が揺れる、走ると衣装がなびく、といった魅力的な演出が作りやすくなります。

物理演算の同意語

物理シミュレーション: 現実世界の物理現象を数値モデルで再現する計算・模擬。力・運動・衝突・摩擦などの法則を用い、ゲーム・CG・研究などで用いられます。
物理演算: 物理法則に基づく数値計算の総称。力・運動・エネルギーの変化を求め、物体の挙動を算出します。
物理計算: 物理現象を数値で計算・予測する作業。力・運動・エネルギーの計算を含み、シミュレーションの基盤となります。
力学シミュレーション: 力の作用と運動の変化を再現するシミュレーション。ニュートンの法則を用いて物体の挙動を数値的に模倣します。
力学計算: 力と運動を数値で計算し、物体の挙動を予測する計算作業。衝突や摩擦の扱いも含まれます。
剛体シミュレーション: 変形を考えない剛体（ラジッドボディ）の運動と衝突を再現する計算。剛体間の衝突解決や連結の挙動を扱います。
柔体シミュレーション: 布やゴムなど変形する物体の挙動を再現する計算。塑性・粘性の効果も含めて物体が変形します。
物理エンジン: ゲームやCGで物理挙動を計算・再現するためのソフトウェア群・ライブラリ。剛体・柔体の運動や衝突を処理します。
リアルタイム物理シミュレーション: 実時間で計算して、インタラクティブなアプリやゲームで即座に現象を再現する手法。
リアルタイム物理計算: 実時間で物理演算を行い、挙動をすぐに更新する計算処理。
オフライン物理シミュレーション: 時間をかけて高精度に計算するシミュレーション。研究・設計時の静的分析や長時間の計算に用いられます。