這個計算機能做什麼
本工具模擬一個物體從靜止狀態釋放、在重力作用下不受空氣阻力的自由落下過程。只要輸入目標落下速度,就能算出物體要落多久才能達到該速度,以及在這段過程中總共下墜了多少距離。無論是寫物理作業、估算落下測試,或快速驗算運動學題目,都相當實用。
使用方法
先輸入目標落下速度,並選擇單位(公尺每秒 m/s 或公里每小時 km/h)。接著填入重力加速度,預設為標準重力 9.80665 m/s²,你也可以改成其他天體的數值,例如月球約為 1.62 m/s²。計算機會在內部將速度換算成 SI 單位,再回傳以秒為單位的經過時間,以及以公尺為單位的下落距離。
公式說明
對於從靜止開始下落的物體,速度會隨時間呈線性增加:\(v = \text{g} \times t\),移項後可得 \(t = v / \text{g}\)。下落距離為 \(h = \tfrac{1}{2} \times \text{g} \times t^{2}\),將 \(t\) 代入後可整理成簡潔形式 \(h = v^{2} / (2\text{g})\)。這兩個公式都假設初速度為零,且運動在真空中純粹向下進行。
$$\begin{gathered} t = \frac{v}{\text{g}}, \qquad d = \frac{v^{2}}{2\,\text{g}} \\[1.5em] \text{where}\quad v = \left|\text{Fall velocity (m/s)}\right| \end{gathered}$$
實例演算
假設目標速度為 30 m/s,\(\text{g} = 9.80665 \ \text{m/s}^{2}\)。則 \(t = 30 / 9.80665 = 3.0592\) 秒,\(h = 900 / 19.6133 = 45.888\) 公尺。若改輸入 108 km/h,換算後同樣是 30 m/s(\(108 / 3.6\)),算出的結果完全相同。
常見問題
這個計算有考慮空氣阻力嗎?沒有。它假設的是真空中的理想自由落體。實際物體在下落時,阻力會隨速度上升而增加,使加速度變小,最終達到終端速度,因此真實的時間與距離都會比計算值來得大。
可以用在其他行星上嗎?可以。只要把重力加速度設成該天體的數值即可,例如月球填 1.62、火星填 3.71。
如果我把重力填成零會怎樣?除以零在數學上沒有定義,因此計算機會特別防範 \(\text{g} = 0\) 的情況,此時會回傳零而非無限大的結果。請使用大於零的 g 才能得到有意義的輸出。