Roblox Wasserphysik & Bootsauftrieb: Gerstner-Wellen, Strömungswiderstand & Schiffssimulation

Das Standard-Terrainwasser in Roblox bietet einfache Schwimmmechaniken für Avatare, reicht jedoch für anspruchsvolle maritime Simulationen, Schnellboote und Seeschlachten nicht aus.

Mit einem Mehrpunkt-Auftriebssystem berechnen Entwickler archimedische Auftriebskräfte an jedem Rumpfpunkt separat. In Kombination mit Luau-Gerstner-Wellen und Strömungswiderstands-Tensoren bewegen sich Schiffe physikalisch stabil auf dynamischen Wellen.

1. Warum Standard-Terrainwasser für Schiffe unzureichend ist

Technische Grenzen des nativen Roblox-Wassers bei komplexen Wasserfahrzeugen:

• Homogener Bounding-Box-Auftrieb: Standardwasser wendet gleichförmige Beschleunigung an, was Neigungswinkel und Rumpfkrängung verhindert.
• Flache Wasseroberfläche: Nativ verformt sich Terrainwasser nicht zu dreidimensionalen Wellenkämmen.
• Instabilität bei hohen Geschwindigkeiten: Schnelle Boote erleiden extreme Stoßimpulse bei Kollisionen mit Wasseroberflächen.
• Mangelnde Roll-Dämpfung: Ohne gezielte Strömungswiderstandskraft kentern Boote bei scharfen Wendemanövern.

2. Mehrpunkt-Archimedes-Auftrieb & Gerstner-Wellensampling

Berechnung von Auftriebskräften an verteilten Rumpfpunkten:

• Vierpunkt-Rumpfsampling: Attachments an Bug und Heck (links/rechts) tasten die Wassertiefe unabhängig ab.
• Analytische Gerstner-Wellenformel: Mathematische Höhenberechnung an beliebigen Koordinaten `(X, Z)` ohne Geometrie-Meshes.
• Verdrängungsvolumen & Auftriebskraft: Berechnung über `F = (Tiefe * Volumen * Gravitation * Dichte) - (Geschwindigkeit * Dämpfung)`.
• Aufrichtendes Drehmoment: Asymmetrischer Auftrieb richtet den Schiffsrumpf in rauer See automatisch auf.

--!strict
local RunService = game:GetService("RunService")
local Workspace = game:GetService("Workspace")

local BoatPhysics = {}

local WAVES = {
    {Dir = Vector2.new(1, 0).Unit, Steepness = 0.4, Length = 60, Speed = 12},
    {Dir = Vector2.new(0.7, 0.7).Unit, Steepness = 0.25, Length = 35, Speed = 9}
}

local GRAVITY = Workspace.Gravity
local WATER_DENSITY = 1.025
local POINT_SUBMERGED_VOLUME = 850
local DAMPING = 280

function BoatPhysics.GetWaveHeight(worldX: number, worldZ: number, timeVal: number): number
    local elevation = 0
    for _, wave in ipairs(WAVES) do
        local k = (2 * math.pi) / wave.Length
        local c = wave.Speed
        local dot = wave.Dir.X * worldX + wave.Dir.Y * worldZ
        local phase = k * (dot - c * timeVal)
        elevation += math.sin(phase) * (wave.Steepness / k)
    end
    return elevation
end

function BoatPhysics.UpdateBuoyancy(hullRoot: BasePart, sampleAttachments: {Attachment}, vectorForces: {VectorForce})
    local t = Workspace:GetServerTimeNow()
    for i, attach in ipairs(sampleAttachments) do
        local pos = attach.WorldPosition
        local waterY = BoatPhysics.GetWaveHeight(pos.X, pos.Z, t)
        local depth = waterY - pos.Y
        local vf = vectorForces[i]
        if depth > 0 then
            local vel = hullRoot:GetVelocityAtPosition(pos)
            local upwardForce = math.clamp((depth * POINT_SUBMERGED_VOLUME * GRAVITY * WATER_DENSITY) - (vel.Y * DAMPING), 0, 80000)
            local lateralDrag = -Vector3.new(vel.X, 0, vel.Z) * 45
            vf.Force = Vector3.new(lateralDrag.X, upwardForce, lateralDrag.Z)
        else
            vf.Force = Vector3.zero
        end
    end
end

return BoatPhysics

3. Strömungswiderstands-Tensoren & Hydrodynamik

Mathematische Modellierung von Wasserwiderstand am Rumpf:

• Anisotroper quadratischer Widerstand: Geringer Widerstand entlang des Kiels (~0.05), hoher Querwiderstand (~1.2).
• Gleit- vs. Verdrängerfahrt: Übergang vom Verdrängen des Wassers zum dynamischen Gleiten bei hoher Geschwindigkeit.
• Winkelgeschwindigkeits-Dämpfung: Begrenzung von Schaukelbewegungen über Drehmomentbegrenzer.
• Heckantrieb & Rudervektoren: Realistische Krängung nach innen bei Kurvenfahrten.

4. Netzwerk-Eigentümerschaft & Replikation

Nahtlose Synchronisation zwischen Steuermann und Beobachtern:

• Driver Network Ownership: Zuweisung von `SetNetworkOwner(player)` für latenzfreie Steuerung.
• Deterministische Wellen: Alle Clients berechnen identische Wellenhöhen synchron über Serverzeit.
• Passagier-Stabilisierung: Befestigung über Seat-Attachments gegen unbeabsichtigtes Herausschleudern.
• Schlafmodus für leere Boote: Ressourcenersparnis durch Pausieren der Physik bei unbemannten Schiffen.

5. Best Practices & Produktions-Checkliste

Entwicklungsrichtlinien für performante Roblox-Schiffe:

• Schwerpunktlage unter Wasserlinie: Verhindert unkontrolliertes Kentern.
• Kollisionsvereinfachung: Unsichtbare reibungsfreie Hüllenblöcke verhindern Hängenbleiben.
• Partikel- & Soundeffekte: Geschwindigkeitsabhängige Schaumkronen und Motorsounds.
• Mesh-Deformation: Visuelle Übereinstimmung der Wasserwellen mittels Bone-Rigging.

Frequently Asked Questions