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輸入計算

提示:若目標(抵達點)比發射點還「高」,請將發射高度 h0 輸入為「負值」。

數學公式

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結果

初速 Vs(最小初速軌跡)
36.305
m/s
初速 Vs 130.7 km/h
Launch angle θ 53.35 °
飛行(滯空)時間 t 4.614 s

這個計算機能做什麼

本工具用來解經典的拋體問題:物體以無空氣阻力的方式發射,必須命中一個位於水平距離 l 之外、高度為 h 的目標,而發射點本身則位於高度 h0。由於有無限多組「初速/角度」的組合都能命中同一點,本計算機回傳的是最小發射初速的軌跡——也就是剛好能抵達目標、能量最低的標準解。它會輸出所需的初速(以 m/s 與 km/h 表示)、發射角,以及飛行(滯空)時間。這套物理是普世通用的,不受任何國家或地區規範限制。

拋射體從原點發射,沿弧線飛向高度 h、水平距離 l 處的目標
拋射體以速度 V 和角度 theta 發射,以擊中水平距離 l、高度 h 處的目標。

使用方式

輸入抵達高度 h、水平距離 l(必須大於 0)以及發射高度 h0。目標相對於發射點的垂直上升量為 \(y = h - h_0\)。依照本模型的慣例,若目標比發射點還要「高」,則應將 h0 輸入為負值,這樣才能正確地增加所需的上升量。重力加速度 g 預設為標準重力 9.80665 m/s²,但可自行修改(例如月球可改為 1.62)。

公式說明

通過點 (x, y) 的軌跡為 $$y = x\cdot\tan\theta - \frac{g\cdot x^{2}}{2\cdot V_s^{2}\cdot\cos^{2}\theta}$$ 將發射初速最小化後,可得到封閉解 $$V_s = \sqrt{g\cdot(y + \sqrt{x^{2}+y^{2}})}$$ 以及 $$\theta = \arctan\!\left(\frac{y + \sqrt{x^{2}+y^{2}}}{x}\right)$$ 此角度恰好平分「垂直方向」與「指向目標直線」之間的夾角:$$\theta = 45^\circ + \tfrac{1}{2}\cdot\arctan\!\left(\frac{y}{x}\right)$$ 飛行時間則由水平速度恆定推得:$$t = \frac{x}{V_s\cdot\cos\theta}$$

在發射角 theta 處將速度向量分解為水平和垂直分量
發射速度 V 分解為水平分量(V cos theta)和垂直分量(V sin theta)。

範例試算

當 \(h = 50\) m、\(l = 100\) m、\(h_0 = 20\) m、\(g = 9.80665\) 時:\(y = 30\) m、\(x = 100\) m、\(r = \sqrt{10000+900} = 104.403\) m。則 $$V_s = \sqrt{9.80665\times134.403} = 36.307 \text{ m/s} = 130.7 \text{ km/h}$$ $$\theta = \arctan(1.34403) = 53.35^\circ$$ 而 $$t = \frac{100}{36.307\times\cos 53.35^\circ} = 4.62 \text{ s}$$

常見問題

為什麼是最小初速?同一個目標可以被許多不同的軌跡命中;最小初速解是這類工具所回報的唯一、且物理上最自然的答案。

如果目標在發射點上方該怎麼辦?請將 h0 輸入為負值,使 \(y = h - h_0\) 變大,以符合模型的正負號規則。

有考慮空氣阻力嗎?沒有——本工具僅計算均勻重力下的理想拋體運動。

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