這個計算器的用途
本工具用來計算物體在粗糙斜面上下滑時的加速度。只要輸入斜面傾角 θ、物體與表面之間的動摩擦係數 μ,以及重力加速度 g,計算器便會依據 $$a = \text{g}\left(\sin\theta - \mu\cos\theta\right)$$ 求出沿斜面方向的淨加速度。這是一個通用的物理工具,適用於任何一致的單位系統(預設採用 SI 制,單位為公尺每平方秒)。
使用方式
請輸入斜面傾角(以度為單位,範圍 0–90)、動摩擦係數(一般常見表面約落在 0.1–0.8),以及重力加速度(地球上為 9.81 m/s²)。計算器會回報加速度、驅使物體下滑的重力分量 \(\text{g}\cdot\sin\theta\)、阻礙運動的摩擦分量 \(\mu\cdot\text{g}\cdot\cos\theta\),並判斷物體是否真的會開始滑動。
公式解析
沿斜面方向有兩個力在作用:重力把物體往下拉,分量為 \(\text{g}\cdot\sin\theta\);而動摩擦力則阻礙運動,大小為 \(\mu\cdot\text{g}\cdot\cos\theta\)(正向力為 \(m\text{g}\cdot\cos\theta\),故單位質量的摩擦力為 \(\mu\cdot\text{g}\cdot\cos\theta\))。質量會相互抵消,最終得到 $$a = \text{g}\left(\sin\theta - \mu\cos\theta\right)$$ 若結果為正,物體會加速下滑;若為零或負值,代表摩擦力與重力分量達成平衡或超越重力,物體會保持靜止或減速。當 \(\tan\theta > \mu\) 時,物體便會開始滑動。
範例計算
假設 \(\theta = 30°\)、\(\mu = 0.2\)、\(\text{g} = 9.81\):\(\sin 30° = 0.5\),\(\cos 30° \approx 0.8660\)。重力分量 $$9.81 \times 0.5 = 4.905 \text{ m/s}^2$$ 摩擦分量 $$0.2 \times 9.81 \times 0.8660 \approx 1.699 \text{ m/s}^2$$ 加速度 $$4.905 - 1.699 \approx 3.206 \text{ m/s}^2$$ 由於結果為正值,物體會下滑。
常見問題
如果結果是負值代表什麼?負值表示摩擦力大於重力分量——已在運動中的物體會減速,而靜止的物體則不會開始滑動。
質量會影響結果嗎?不會。質量會被消去,所以加速度只取決於傾角、摩擦係數與重力。
這裡的靜摩擦與動摩擦差別在哪?本計算採用的是動摩擦(滑動摩擦)。物體是否會「開始」運動取決於靜摩擦,但一旦運動起來,便由動摩擦來主宰加速度。