今回は炎の性質・動きについてまとめていきたいと思います。
燃焼を科学的に理解し、説得力のある火を描くためのポイントを把握するためにやっています。
まわりくどいかもしれませんが、
- なんでこの動きを描くのか
- 火力が違うとどのように表現すれば威力が伝わるのか
がもっと論理的に納得できて、スムーズに創作できるようになると思いやっています。
火とは物質ではなく現象である
火とは、そこにある何かの物質ではありません。燃焼、つまり「燃えるという現象」です。
炭素を含んだメタンなどの燃料と酸素があり、そこに熱などのきっかけが加わると化学反応が起きて燃焼が発生し、火が現れます。逆に燃料や酸素がなくなると、その化学反応は続かず、火は消えます。
火は単一の物質ではなく、複数の物質が反応しながら成り立っている「状態」です。その中では、燃料の分解や酸化など、さまざまな化学反応が同時に進行しています。
そのため炎の中には、燃料・酸素・反応途中の分子・生成物など、さまざまな物質が混ざり合っており、動きも複雑になります。
燃焼とは？
まず燃焼という化学反応を詳しく見ていこうと思います。
燃焼とは、燃料と酸素が反応して、より安定な物質に変わるときに、エネルギーを放出する化学反応です。
例：メタンの燃焼
- 燃料：メタン（CH₄）
- 酸化剤：酸素（O₂）
この反応で、熱と光が放出され、二酸化炭素と水（主に水蒸気）が生成されます。
この熱と光が、普段私たちが見ている炎です。
燃焼を始めるには点火が必要ですが、一度反応が始まると発生した熱が次の反応を引き起こし、連鎖的に燃え続けます。
酸素が不足すると不完全燃焼となり、一酸化炭素やすすが発生します。
炎の色
炎の色は主に
- 温度による発光
- 原子や分子固有の発光
の2つによって決まります。
❶温度による発光
高温になった物体は電磁波を放射します。温度が高くなるほど、赤から白、青白へと見える色が変化していきます。
低温 → 赤
中温 → オレンジ・黄
高温 → 白・青白
❷原子や分子固有の発光
燃焼中の原子や分子は熱によって励起されます。励起された電子が元の状態へ戻るとき、特定の波長の光を放出します。そのため物質ごとに特徴的な色が現れます。
例：
- ナトリウム → 黄色
- リチウム → 赤色
- 銅 → 青緑色
花火や炎色反応はこの現象を利用しています。
実際の炎
実際の炎の色は、温度による発光と物質固有の発光が混ざってできています。
例えばガスコンロの青い炎は、高温であることに加え、燃焼中に生じるCHラジカルやC₂分子の発光が青色に見える原因です。
一方、ろうそくの黄色い炎は、高温になった微細なすす（炭素粒子）が光って見えている影響が大きくなっています。
※ラジカルとは、不対電子（対になっていない電子）を持つ原子や分子のことです。不対電子を持つため反応性が高く、他の原子や分子と反応しやすい性質があります。
炎の形
炎は熱や光を出していますが、その正体は高温のガスです。そのため、炎は空気や水と同じように流体として振る舞います。層流や乱流、渦といった流体の性質が見られます。
ただし炎は燃焼によって温度や密度が常に変化しているため、普通の流体より複雑です。
燃焼すると高温になり、軽くなったガスが上昇します。すると周囲から新しい空気が流れ込み、さらに燃焼が続きます。
この燃焼 → 上昇 → 空気の流入 → 燃焼という循環が炎の形を作っています。
安定した状態
ろうそくのような小さく安定した炎
しずく型になるわけ
ろうそくの炎では、気化したロウ（燃料）が下から供給されます。一方で、燃焼によって熱せられたガスは熱対流によって上昇します。
上昇する途中で燃料は徐々に消費されるため、炎は根元が太く、先端が細いしずく状の形になります。
なお、無重力空間では熱対流が起きないため、炎はしずく型ではなく球形に近くなります。
炎の中身
炎の内部は燃料が多く酸素が少ないため、主な燃焼は空気と接する外側で起こっています。そのため炎は縁が明るく、薄い膜のように見えます。
炎の乱れ
炎が大きくなると、周囲の空気との温度差や速度差によって流れが不安定になります。
すると炎は
- 波打つ
- 左右に揺れる
- ちぎれる
- 渦を作る
といった動きを見せます。
煙の記事でも紹介しましたが、流体の境界では速度差によって波のような揺らぎが発生することがあります。
これは Kelvin–Helmholtz instability（ケルビン・ヘルムホルツ不安定性） と呼ばれる現象です。
右のシミュレーションを見るとわかりやすいですが、最初は小さな波だったものが徐々に成長し、やがて渦へと変化していきます。
炎でも同様に、高温の燃焼ガスと周囲の空気の境界が不安定になり、小さな揺らぎが波や渦へと発達していきます。（実際には熱対流や密度差など様々な要因が重なって複雑な渦構造を作っています。）
焚火など中規模な炎
焚火程度の炎では、熱せられたガスが強く上昇し続けています。
そのため渦が十分に巻き上がる前に上へ運ばれ、多くの場合は完全な渦ではなく、
- 波打つ
- S字に曲がる
- 途中でちぎれる
といった形になります。
ちなみに、ちぎれるのは、局所的に燃料や酸素が少なくなるなど、燃焼が小さくなるからです。
爆発や噴火など大規模な炎
さらに大規模な炎になると、周囲の空気を大量に巻き込みながら上昇します。
すると小さな渦同士が成長・合体し、巨大な循環流が形成されます。
外側から空気を吸い込み（特に柱状の部分で強く巻き込まれ）、内部で上昇し、上空で広がる流れができるため、炎はキノコ雲やブロッコリーのような形に成長していきます。
右図のように、密度差や浮力のある二つの流体層の境界では、マッシュルームのような形を作りながら互いに入り込むことがあります。これをレイリー・テイラー不安定性といいます。
炎や爆発で発生した高温のガスは、周囲の冷たい空気よりも密度が低いため上昇します。このとき、上昇する高温ガスと周囲の空気の境界では、レイリー・テイラー不安定性によってマッシュルーム状の構造が現れることがあります。
さらに、構造の境界面では流れる速さの違いによってケルビン・ヘルムホルツ不安定性が発生し、傘の部分に見られるモコモコした渦状の形が作られると考えられています。
爆発の際のきのこ雲や煙の部分に見られることも多いですが、炎でもこのような形になることがあります。
この場合は煙がまじってきます。
炎のアニメーション
ろうそくなどの火
小さい火はほぼ動かないときもありますが、動かすなら、
- 上下の動き
下から膨らみが上がってきて火が伸びるような、燃料が上昇するようなイメージの動き - 左右の動き
風や揺らぎで動くような動き。波を縦方向に送っていくような動き
以下はグリースペンシルエフェクトつきチュートリアルです。
焚火
中規模の炎は火がちぎれたり激しく動きます。
- 上下の動き
波を送っていくような動きで上昇を強調します。 - ちぎれ
上昇するにつれて細くなる部分を作り、そこでちぎれます。（ちぎれたあと分岐点を下げると上下の動きのサイクルが作りやすい） - 変形
上から見ると螺旋を描くように回転していると意識する。炎の形が変化しないのは不自然なので、なるべく変化させた方が炎っぽくなります。
よくある形
炎のアニメでは炎らしい形を描くことも大事です。
- 鎌のような形
- S字
- C字
- 穴があいたり隙間が空いたりしてちぎれる直前のような形
爆発の炎
炎が上昇しますが、同時に外側に巻いていくような動きがあります。
サイクル
- トップの中心で炎が上昇する
- 周囲に広がって下がるので巻いているように見える
燃焼が終わってくると煙が増えてくるので、下に回っていくうちにだんだん煙が多めになっていくのと、ある程度燃焼が全体的に終わると動きが遅くなっていきます。
また、激しく燃焼しているところはより明るく光ります。
描くときのポイント
- どのパーツがどこへ行ったのかわかりにくいため、記号の✕や▲などを使って印をつけておいたりする。
- どのコースをたどるのか最初におおざっぱにかいておくと描きやすいと思いました。
正直巻いてる動きがめちゃくちゃ難しいし、割るのも大変です。大体のアニメでは一瞬で爆発してすぐに炎の広がりを遅くすることで作画コストを下げているような気がしました。
最初に爆発が広がるところをかなり速くして厳密に割らなくてもいいようにし、そこからすぐにイーズアウトくらい遅くして動きを割りやすくするような感じ。
（実際の炎や煙って巻き込みで広がっていく中間くらいの速さの時間も多いんですが、これを割るのがとにかく鬼畜です。これを避けるか、最小フレームにとどめるのがポイントだと思いました。）
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