如何用 TikZ 创建动画人物

Question 1

由于您想为钟摆的摆动制作动画，我建议使用极坐标的另一种方法。这会让事情变得容易得多（我使用了 Black Mild 的精彩答案作为基础，因此设计相似）：

\documentclass[border=10pt]{standalone}
\usepackage{animate}
\usepackage{tikz}

\pgfmathsetmacro{\pendulumswing}{40}
\pgfmathsetmacro{\pendulumlength}{5}

\begin{document}
    \begin{animateinline}[controls, palindrome]{45}
        \multiframe{45}{rt=0+4}{%
            \begin{tikzpicture}[line width=1pt]
                \draw[dashed] (0:0) -- (90:{-\pendulumlength}) coordinate (o);
                \draw[dashed] ({90-\pendulumswing}:{-\pendulumlength}) coordinate (a)
                    arc[start angle={90-\pendulumswing}, end angle={90+\pendulumswing}, radius={-\pendulumlength}] coordinate (b);
                \draw[dashed, red] (a) -- (a |- o) coordinate (c) node[below] {$-x_m$};
                \draw[dashed, red] (b) -- (b |- o) coordinate (d) node[below] {$x_m$};
                \draw[-stealth, red] ([xshift=-1cm]c) -- ([xshift=1cm]d);
                
                % variable \rt goes from 0 to 180
                % cos(\rt) returns a value between -1 and 1 following a (co)sine curve
                \pgfmathsetmacro{\pendulumangle}{cos(\rt)*\pendulumswing}
                \draw (0:0) -- ({90+\pendulumangle}:{-\pendulumlength})
                      node[circle, fill=blue, text=white] {$\mathbf{m}$};
            \end{tikzpicture}%
        }%
    \end{animateinline}
\end{document}

宏\pendulumswing会获取摆锤向左或向右旋转的最大角度。宏\pendulumlength会获取摆锤的长度。更改这些值可获得更长的摆锤或具有不同偏转的摆锤。

编译并使用 Acrobat 播放动画。使用其他查看器，动画可能无法正常工作。以下是输出的 GIF 近似值：

用类似的方法，你可以画出第一个带球的图形：

\documentclass[border=10pt]{standalone}
\usepackage{animate}
\usepackage{tikz}
\usetikzlibrary{patterns}

\pgfmathsetmacro{\pendulumswing}{80}
\pgfmathsetmacro{\pendulumlength}{3}
\pgfmathsetmacro{\floordepth}{0.2}
\pgfmathsetmacro{\bobsize}{.75}

\begin{document}
    \begin{animateinline}[controls, palindrome]{45}
        \multiframe{45}{rt=0+4}{%
            \begin{tikzpicture}[line width=1pt]
                \coordinate (o) at (90:{-\pendulumlength-\bobsize/2});
                \fill[orange!10, draw=black] (180:{-\pendulumlength-\bobsize/2}) coordinate (a)
                    arc[start angle={180}, end angle={0}, radius={-\pendulumlength-\bobsize/2}] coordinate (b) -- cycle;
                \coordinate (a) at ({90-\pendulumswing}:{-\pendulumlength-\bobsize/2});
                \coordinate (b) at ({90+\pendulumswing}:{-\pendulumlength-\bobsize/2});
                \draw[dashed, red] (a) -- (a |- o) coordinate (c) node[below={\floordepth*1cm}] {$-x_m$};
                \draw[dashed, red] (b) -- (b |- o) coordinate (d) node[below={\floordepth*1cm}] {$x_m$};
                \fill[pattern=north east lines] ([xshift=-1cm]c) rectangle ([xshift=1cm, yshift={\floordepth*-1cm}]d); 
                \draw[-stealth, red] ([xshift=-1cm]c) -- ([xshift=1cm]d);
                
                % variable \rt goes from 0 to 180
                % cos(\rt) returns a value between -1 and 1 following a (co)sine curve
                \pgfmathsetmacro{\pendulumangle}{cos(\rt)*\pendulumswing}
                \node[circle, draw, fill=gray, text=white, text width={\bobsize*1cm}, inner sep=0pt, align=center] 
                    at ({90+\pendulumangle}:{-\pendulumlength}) {$\mathbf{m}$};
            \end{tikzpicture}%
        }%
    \end{animateinline}
\end{document}

如果动画变得太慢（因为它有太多帧或由于其他原因），您可以调整帧速率和/或减少步数，例如使用：

% [...]
    \begin{animateinline}[controls, palindrome]{30}
        \multiframe{30}{rt=0+6}{%
            % [...]
        }
    \end{animateinline}
% [...]

你只需要确保宏\rt从 0 到 180。这里的\multiframe{30}{rt=0+6}意思是，变量\rt将从 0 开始，每帧增加 6，总共 30 帧（导致\rt最后一帧等于 180）。

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