這個計算器的功能
這個工具會從拋體的飛行軌跡「反推」回去。只要你知道它飛到多高(最大高度 h)以及水平方向飛了多遠(射程 l),就能算出發射初速、發射角度,以及整段飛行所需的總時間。計算前提是忽略空氣阻力,且發射點與落地點位於同一高度,因此飛行路徑是一條對稱的拋物線。
如何使用
輸入以公尺為單位的最大高度、以公尺為單位的水平射程,以及重力加速度(預設為標準重力 9.80665 m/s²)。按下計算後,即可看到所需的發射初速(同時以 m/s 與 km/h 顯示)、相對於水平面量測的發射角度,以及拋體停留在空中的時間。若把射程設為 0 m,就能模擬純垂直發射的情況(角度 = 90°)。
公式說明
在最高點時,垂直方向的速度為零,因此最大高度可決定初始的垂直速度分量:\(v_y = \sqrt{2gh}\)。上升到最高點所需的時間為 \(\sqrt{2h/g}\),整段飛行則需要兩倍的時間:
$$t = 2\sqrt{\frac{2h}{g}}$$水平方向以等速度運動,所以 \(v_x = \dfrac{l}{2\sqrt{2h/g}}\)。發射初速即為兩個分量的向量和
$$v = \sqrt{v_x^{2} + v_y^{2}}$$而相對於水平面的發射角度為
$$\theta = \arctan\!\left(\frac{4h}{l}\right)$$(在這個比值中,重力項會互相抵消)。
範例演算
假設 \(h = 50\ \text{m}\)、\(l = 80\ \text{m}\)、\(g = 9.80665\ \text{m/s}^2\):
$$v_y = \sqrt{2\times9.80665\times50} = 31.316\ \text{m/s}$$飛行時間為
$$t = 2\sqrt{\frac{100}{9.80665}} = 6.387\ \text{s}$$水平速度為
$$v_x = \frac{80}{6.387} = 12.526\ \text{m/s}$$因此
$$v = \sqrt{12.526^{2} + 31.316^{2}} = 33.73\ \text{m/s}$$(約 121.4 km/h),而
$$\theta = \arctan\!\left(\frac{200}{80}\right) = \arctan(2.5) = 68.20^{\circ}$$常見問題
這有把空氣阻力算進去嗎?沒有。它採用真空中的理想拋體運動模型,對於密度較高、速度不太快的物體相當準確。
如果發射與落地的高度不一樣呢?這個對稱模型假設兩端高度相同。當高度不同時,時間與射程之間的關係會改變,上述公式便無法直接套用。
為什麼角度的計算可以忽略重力?因為 \(\tan\theta = v_y/v_x\) 化簡後等於 \(4h/l\),重力 \(g\) 會被約掉。重力仍然會影響速度與飛行時間,只是不影響角度而已。