Top.Mail.Ru
Научный мастер-класс
Спецэффекты в физике: симуляция огня и дыма
Проект поддержан грантом Министерства науки и высшего образования РФ на проведение молодежного научного фестиваля “Гравитация будущего” в 2026 году.
наука в технологиях
серия научных популяризационных интерактивов

Инженер‑физик по компьютерному моделированию

Специалист, который переводит физические законы в цифровые симуляции: строит математические модели процессов (горения, теплопереноса, движения газов) и реализует их в ПО.
Он проверяет, насколько расчётная картина совпадает с реальными экспериментами, и корректирует параметры модели. В контексте интерактива такой инженер отвечает за то, чтобы симуляция огня и дыма в Blender не просто «красиво выглядела», а отражала реальные физические зависимости —например, чтобы горячий воздух поднимался с правильной скоростью и формировал характерные вихри.

Инженер по физическим эффектам

Профессия, близкая к VFX, но с более выраженным упором на физику: такой специалист не просто делает «красиво», а добивается максимальной достоверности поведения материалов и сред.
Он опирается на экспериментальные данные, референсы и базовые уравнения, чтобы подобрать параметры симуляции. В интерактиве эта роль может быть «главным по достоверности»: он сверяет симуляцию с реальными видео и фото, предлагает корректировки и объясняет, какие физические параметры нужно изменить, чтобы эффект стал правдоподобнее.
Научное направление профессии
Прикладная физика (термодинамика, механика сплошных сред, оптика) в связке с компьютерной графикой и 3D‑моделированием
Научные законы, инструменты и методы
Законы термодинамики
Нагрев, передача тепла, подъём горячего воздуха.
В основе лежит первый закон термодинамики:
ΔU=Q−A
где ΔU — изменение внутренней энергии среды, Q — количество подведённого тепла, A — работа, совершаемая газом (например, при расширении).
Для расчёта количества теплоты, необходимого для нагрева среды, используют формулу:
Q=c⋅m⋅ΔT
где c — удельная теплоёмкость воздуха/газа, m — масса нагреваемого объёма, ΔT — разность температур.
Связь температуры и плотности, определяющая подъём горячих масс, задаётся уравнением состояния идеального газа:
PV=nRT
откуда видно, что при росте температуры T плотность ρ=m\V падает — поэтому горячий воздух становится легче и поднимается вверх.
Законы конвекции
Движение нагретых и холодных масс воздуха, формирование потоков.
Конвективный перенос тепла описывают через плотность теплового потока по закону Ньютона–Рихмана:
q=α (Tсреды−Tстенки)
где q — плотность теплового потока, α— коэффициент теплоотдачи, а разность температур задаёт направление и интенсивность движения.
В симуляции Blender параметр «сила подъёма» (buoyancy) фактически кодирует эту разницу плотностей и температур: он определяет, с какой скоростью и по какой траектории будут двигаться нагретые объёмы, формируя характерные восходящие потоки и завихрения.

Поведение газов и турбулентность
Моделирование вихрей, завихрений и неоднородности среды.
Поведение газа описывают уравнениями гидродинамики (упрощённо — уравнениями Навье – Стокса), которые в численном виде лежат в основе симуляции:
ρ(∂v\∂t+(v⋅∇)v)=−∇p+μ2v+f
где ρ — плотность, v — вектор скорости потока, p — давление, μ — вязкость, f — внешние силы (включая силу тяжести и силу подъёма).
Турбулентность и мелкомасштабные вихри в Blender моделируются через параметр «шум» (noise) и настройки турбулентности: они добавляют случайные небольшие отклонения (или «шумовые эффекты»), чтобы поток не выглядел слишком ровным и стал похож на настоящий — с естественными завихрениями и неровностями.
Принципы распространения и рассеяния света в неоднородных средах
Чтобы огонь и дым выглядели реалистично при рендере.
Взаимодействие света с дымом и огнём описывается моделью объёмного рассеяния. Ослабление света в среде подчиняется закону Бугера–Ламберта:
I = где - интенсивность падающего света, I — интенсивность после прохождения расстояния L, а ​— коэффициент экстинкции (сумма коэффициентов поглощения и рассеяния).
В шейдере «Принципиальный объём» Blender эти эффекты задаются параметрами: плотность (density) соответствует ​, анизотропия (anisotropy) управляет направленностью рассеяния, а эмиссия (emission) отвечает за собственное свечение пламени. В итоге рендер Cycles рассчитывает, как свет рассеивается на частицах дыма и как пламя излучает свет, создавая объёмный, физически правдоподобный эффект.
Развиваемые компетенции
Знания, умения, навыки, или типы мышления, характерные для научной деятельности
  • Понимание базовых физических принципов, лежащих в основе визуальных эффектов (термодинамика, конвекция, оптика)
  • Владение волюметрическими материалами и понимание их параметров (плотность, эмиссия, рассеивание)
  • Умение соотносить научный закон с визуальным результатом (например, как конвекция влияет на форму языков пламени)
  • Способность анализировать референсы и воспроизводить природные явления в 3D
  • Навыки работы с инструментами симуляции в Blender: настройка параметров, управление кэшем, оптимизация
    .
  • Умение подбирать и комбинировать настройки для достижения нужного художественного эффекта без потери физической правдоподобности
    .
О чем научный интерактив?
Вы, когда‑нибудь задумывались, почему пламя всегда «тянется» вверх, а дым клубится и расплывается в воздухе? За этими привычными явлениями стоят строгие физические законы — термодинамика, конвекция и оптика. Компьютерное моделирование активно используют в науке, чтобы исследовать процессы, которые сложно или слишком дорого воспроизвести в реальности: например, поведение пламени при экстремальных температурах, распространение дыма в замкнутых пространствах или динамику крупных пожаров — такие симуляции помогают учёным прогнозировать риски и разрабатывать меры безопасности.

А в кино и играх эти же методы служат для создания убедительных спецэффектов: VFX‑художники и инженеры‑физики переводят научные расчёты в зрелищные сцены пожаров и взрывов. Магия здесь — не в волшебстве, а в точном расчёте: симуляция в Blender математически воспроизводит поведение горячего воздуха и частиц дыма, а волюметрики делают эти процессы видимыми для камеры. Особую роль в таком процессе играет инженер‑физик по компьютерному моделированию — именно он отвечает за то, чтобы визуальная картинка опиралась на реальные физические зависимости.

На этом интерактиве мы соединим науку и творчество: разберём, какие законы природы управляют огнём и дымом, и сразу же применим их на практике — создадим собственную симуляцию в Blender. Вы увидите, как изменение одного параметра (температуры, силы подъёма, плотности) меняет всю картину, и поймёте, как художники управляют физикой, чтобы получить нужный художественный результат.
Для кого научный интерактив?
Интерактив создан для школьников старших классов и студентов младших курсов, увлечённых компьютерной графикой, 3D, кино и играми. Он подойдёт тем, кто хочет понять, как наука помогает создавать реалистичные визуальные эффекты, и попробовать себя в роли VFX‑специалиста. Если вы любите разбирать, как устроены спецэффекты в любимых фильмах, интересуетесь физикой явлений или уже пробовали работать в Blender и хотите выйти за рамки простого моделирования — этот интерактив поможет соединить ваши интересы и получить практический навык.

Особенно полезен он будет тем, кто задумывается о профессиях на стыке науки и цифровых технологий — например, об инженерной карьере. Вы сможете примерить на себя роль инженера‑физика по компьютерному моделированию: научитесь не просто «делать красиво», а осознанно задавать физические параметры симуляции, чтобы эффект был не только зрелищным, но и достоверным. Вы узнаете, как переводить законы термодинамики и гидродинамики в настройки программы, как проверять соответствие симуляции реальным процессам и корректировать модель на основе наблюдений.

Участие будет полезно и тем, кто рассматривает карьеру в индустрии кино, игр или рекламы: вы получите представление о реальных задачах VFX‑художника и первых шагах в этой профессии, а также увидите, какую важную роль в создании эффектов играет инженерный подход и работа с физическими моделями.
Состав научной команды
Интерактив проводится в игровом формате, где участники имеют роли, как в команде НИОКР (научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы).
Задаёт визуальный стиль эффекта
Подробнее
Настраивает физику потоков и температуры
Подробнее
Прорабатывает объём и освещение
Подробнее
Оценивает результаты, даёт рекомендации
Подробнее
Для работы вам понадобится
  • Ноутбук для работы с программой Blender. Например, ASUS TUF Gaming F15
    При работе с ноутбуком соблюдайте технику безопасности!
Полезные материалы
Изучите и скачайте нужные для интерактива материалы по ссылкам ниже
Сценарий научного мастер-класса
3 минуты
3 минуты
Вступление и знакомство
Приветствие, постановка цели мастер‑класса: научиться создавать реалистичную симуляцию огня и дыма в Blender, опираясь на законы физики. Краткий рассказ о профессии VFX‑художника и инженера‑физика по компьютерному моделированию, о связи прикладной физики и компьютерной графики. Мотивация через примеры сцен с огнём и дымом из кино и игр.

Необходимы: проектор для презентации, слайды с примерами VFX‑сцен.
5 минут
5 минут
Мини-лекция: физика огня и дыма
Разбор ключевых физических принципов: термодинамика (нагрев, подъём горячего воздуха), конвекция (движение воздушных потоков), поведение газов, основы оптики (распространение и рассеивание света в неоднородной среде). Объяснение, как эти законы переводятся в параметры симуляции и рендера.

Необходимы: презентация со схемами и иллюстрациями физических процессов; короткие видеофрагменты с реальными пожарами/дымом для сравнения.
7 минут
7 минут
Обзор интерфейса Blender и подготовка сцены
Открытие Blender, краткий обзор рабочей области. На сцене уже есть куб — он станет источником огня. Объяснение понятия «домен» как области симуляции и роли объектов‑источников. Быстрый показ, где находятся вкладки «Физика» и «Настройки рендера».

Необходимы: компьютеры с установленным Blender; шаблон сцены (куб на сцене).
10 минут
10 минут
Настройка физики: домен и источник
Применение быстрого эффекта «быстрый дым» для создания домена. Настройка ключевых параметров: подразделения (с 32 до 64), шкала времени (0,8), активация адаптивного домена. Для куба‑источника: тип потока — огонь, поведение —приток. Акцент на том, зачем менять каждый параметр и какой физический процесс он отражает.

Необходимы: компьютеры с Blender; чек‑лист параметров (на экране или в раздатке).
8 минут
8 минут
Запекание симуляции
Настройка кэша на домене: диапазон кадров, тип кэша «Все», запуск «запечь всё». Объяснение, что такое запекание: перевод динамики в данные, которые можно использовать при рендере.

Необходимы: компьютеры с Blender; время на расчёт симуляции..
12 минут
12 минут
Работа с волюметрическими материалами
Переход в редактор шейдеров. Добавление узла «Принципиальный объём» и подключение к сокету «Объём». Настройка плотности (до 25), анизотропии (0,4), цвета и теплового излучения (бледно‑оранжевый, температура ~1400 °F / 760 °C). Объяснение связи параметров материала с физикой: плотность берётся из симуляции, анизотропия влияет на рассеивание света.

Необходимы: компьютеры с Blender; скриншот узлов и значений параметров на экране.
7 минут
7 минут
Настройка камеры и композиции
Выделение камеры, изменение фокусного расстояния (80 мм) либо переключение на ортогональный тип. Привязка камеры к виду (Ctrl + Alt + 0 на NumPad), точная регулировка положения (Shift + -, затем Q/W/E/A/S/D). Подбор ракурса, чтобы подчеркнуть объём дыма и форму пламени. Показ 1–2 примеров удачных ракурсов.

Необходимо: компьютеры с Blender; подсказки по навигации и управлению камерой (на экране).
5 минут
5 минут
Настройка рендера для волюметрики
Переход на панель «Настройки рендера». Увеличение количества сэмплов для рассеивания (в 2 раза) и для объёмных теней. Включение «Объёмные тени». Настройка управления цветом: корректировка контрастности для выразительности. Объяснение, почему эти настройки критичны именно для дыма и огня.

Необходимо: компьютеры с Blender; эталонный рендер на экране для ориентира.
3 минут
3 минут
Просмотр и анализ результата
Быстрый просмотр итогового рендера: динамика потоков, объёмность дыма, свечение огня, взаимодействие света. Разбор 2–3 типичных недочётов (например, «плоский» дым, отсутствие свечения) и как их быстро исправить.

Необходимо: компьютеры с Blender; эталонный и «проблемный» рендеры для сравнения.
Этапы работы
Этап 1.
Первым делом откроем программу Blender 3D.
Этап 2.
Откроется следующее окно.
Этап 3.
На сцене уже есть куб.
Этап 4.
Применим к кубу физику быстрым эффектом. Для этого откроем вкладку Объект.
Этап 5.
Далее выберем Быстрые эффекты-быстрый дым. Появится ещё один куб-домен. Домен – это определенная область, в пределах которой происходит симуляция жидкости или газа.
Этап 6.
Зайдем во вкладку Физика и в настройках домена, изменим несколько параметров. Первое, и самое главное, это качество, увеличив количество подразделений. Вместо 32 поставим 64. Параметр Шкала времени – это скорость симуляции, если поставить значение 0,8, скорость будет немного медленнее обычной.
Этап 7.
Для уменьшения времени запекания поставим галку напротив пункта Адаптивный домен. За счет сокращения области симуляции, процесс протекает быстрее. Далее найдём вкладку Шум, и чтобы огонь не был похож на бесформенный столб дыма, активируем и этот параметр огня.
Этап 8.
Чуть ниже, во вкладке Коллекции укажем для потока – Collection сцены.
Этап 9.
Щёлкнем на куб. В настройках физики у куба Тип потока выберем Огонь. При этом Flow Behavior (Поведение жидкости) оставим Приток (в отличие от симуляции воды).
Этап 10.
Снова щёлкнем на домен. В настройках физики откроем вкладку Кэш. Отметим кадр от начала и конца, тип кэша симуляции вместо Перевосвроизвести выберем Все. Далее нажмем кнопку «запечь всё».
Этап 11.
На данном этапе у нас получился вот какой результат.
Этап 12.
Так как огонь не является осязаемым объектом, то мы будем работать непосредственно с сокетом Объем в узле Вывод материала, а не с Поверхностью. Ближе к концу мастер-класса разберем Волюметрики, позволяющие улучшить качество дыма/огня.
Зайдём в редактор шейдеров, добавим узел Принципиальный объем и подключим к зеленому сокету Объем в ноде Вывод материала. Здесь нужно настроить несколько параметров.
Этап 13.
Чтобы сделать пламя реалистичным увеличим Плотность до 25 (схоже пламенем пожара, где огонь с высотой превращается в гигантские клубы черного дыма). Также изменим цвет. Обратите внимание, что атрибут плотности «density» берется из физики (наша симуляция). Идем далее, параметр Анизотропия работает как узел Рассеивание объема и влияет на способность взаимодействовать со светом, поглощая его. Повысим его значение до 0.4. Цвет остается черным.
Этап 14.
Дальше повышаем интенсивность теплового излучения. Благодаря ей и появляется сам источник огня. Сделаем оттенок пламени бледно-оранжевым. Также повысим температуру до 1400 (по Фаренгейту). Если перевести в градусы Цельсия, получаем 760 - настоящая температура пламени.
Этап 15.
Выделим камеру и перейдем на панель Настройки данных объекта, увеличим фокусное расстояние до 80 мм или поменяем тип камеры на Ортогональ.
Этап 16.
Далее настроим вид, привяжем камеру к виду клавишами Ctrl +Alt + О на NumPad. Находясь в ней нажмем сочетание Shift + - и более точно отрегулируем положение клавишами Q, W, Е, А, S, D.
Этап 17.
Теперь перейдем на панель Настройки рендера, количество сэмплов для формирования эффекта рассеивания увеличим в 2 раза (качество).
Этап 18.
Еще ниже находится подвкладка Объемные тени, поставим галочку напротив нее. Увеличим количество сэмплов для формирования эффекта теней (качество).
Этап 19.
Далее найдем вкладку Управление цветом, изменим на ней контрастность изображения. На этом мастер - классе мы узнали, что в симуляции огня нужно всегда создавать материал, в противном случае на рендере Blender выведет либо дым, либо пустое изображение.
ФИНАЛ
Ваша симуляция огня и дыма готова!
Поздравляем! Желаем дальнейших успехов в других наших интерактивах.
Вопросы для обсуждения
Ниже приведены примерные вопросы для рефлексии, которые помогут связать научную тему с технологией, практическими навыками и самореализацией
Разработчики
  • Роксана Шулаякова
    Педагог дополнительного образования
  • Алина Цвигун
    Методист
  • Людмила Ларина
    Научный координатор