什麼是水平拋體運動?
水平拋體運動指的是物體從某個高度以「純水平方向」拋出後,僅受重力作用而自由落下的運動。整個過程可以乾淨俐落地拆成兩個彼此獨立的部分:水平方向維持等速度,垂直方向則做加速下墜。由於拋出時完全沒有垂直方向的初速度,物體停留在空中的時間只取決於下落高度與重力大小,和拋出的快慢完全無關。
如何使用本計算機
請依序輸入拋出高度(物體將下落的垂直距離)、初始水平速度,以及重力加速度(在地球上為 9.81 m/s²,若要計算月球或其他行星,也可自行調整數值)。計算機會回傳飛行時間、水平射程、落地瞬間的垂直速度,以及合成後的落地總速度。
公式解析
由於垂直方向是從靜止開始下落,下落時間為 $$t = \sqrt{\dfrac{2h}{g}}$$ 水平移動的距離為 $$R = v \cdot t$$ 因為水平速度始終維持不變(忽略空氣阻力)。落地時的垂直速度為 $$v_y = g \cdot t$$ 而落地的總速度則由水平與垂直兩個方向合成:$$v_f = \sqrt{v^2 + v_y^2}$$
範例試算
一顆球從 20 公尺高的懸崖以 10 m/s 水平拋出(g = 9.81 m/s²)。飛行時間:$$t = \sqrt{2 \times 20 / 9.81} = \sqrt{4.077} \approx 2.019 \text{ 秒}$$ 水平射程:$$R = 10 \times 2.019 \approx 20.19 \text{ 公尺}$$ 落地時的垂直速度:$$v_y = 9.81 \times 2.019 \approx 19.81 \text{ m/s}$$ 合成後的落地速度:$$\sqrt{10^2 + 19.81^2} \approx 22.19 \text{ m/s}$$
常見問題
水平速度會影響下落時間嗎?不會。在理想的拋體運動中,落地所需的時間只取決於高度與重力;拋得越快,只會讓物體在水平方向飛得更遠而已。
有把空氣阻力算進去嗎?沒有。本計算機假設處於真空狀態(無阻力),對於密度高、速度慢且距離短的物體而言,這是相當不錯的近似。
可以用在其他行星上嗎?可以,只要更改重力數值即可(例如月球為 1.62、火星為 3.71)。