這個計算器的功能
這個工具可以算出物體要轉多快,才能產生指定的離心力(向心力)。只要輸入物體的質量、旋轉半徑與離心力,即可同時得到轉速——以每秒轉數(rps)和角速度(rad/s)兩種形式表示——以及切線(線性)速度的 m/s 與 km/h 數值。這是一個通用的物理計算工具,在任何地點都適用。
物理原理與公式
當質量為 m 的物體在半徑為 r 的圓周上運動時,向心力的大小等於離心力:
$$F = m \cdot \omega^2 \cdot r = \frac{m \cdot v^2}{r}$$其中 \(\omega\) 為角速度(rad/s),\(v = \omega \cdot r\) 為切線速度。解出 \(\omega\) 可得
$$\omega = \sqrt{\frac{\text{Force }F}{\text{Mass }m \cdot \text{Radius }r}}$$切線速度為
$$v = \omega \cdot \text{Radius }r = \sqrt{\frac{\text{Force }F \cdot \text{Radius }r}{\text{Mass }m}}$$將 \(\omega\) 除以 \(2\pi\) 即可換算成每秒轉數,將 m/s 乘以 3.6 即可換算成 km/h。
使用方法
輸入質量並選擇單位(kg 或 g),輸入半徑並選擇單位(m、cm 或 mm),再輸入以牛頓(N)或公斤力(kgf,其中 1 kgf = 9.80665 N)為單位的離心力。所有數值在計算前都會先換算成國際單位制(SI),因此你可以自由混用不同單位。質量與半徑必須為正數,離心力則必須為非負數。
範例試算
假設 m = 1 kg、r = 2 m、F = 8 N:
$$\omega = \sqrt{\frac{8}{1 \cdot 2}} = \sqrt{4} = 2 \text{ rad/s}$$換算成每秒轉數為
$$\frac{2}{2\pi} \approx 0.31831 \text{ rps}$$切線速度為
$$v = 2 \cdot 2 = 4 \text{ m/s}$$等於 \(4 \times 3.6 = 14.4\) km/h。
常見問題
rps 與 rad/s 有什麼不同?一整圈等於 \(2\pi\) 弧度,所以 \(\text{rps} = (\text{rad/s}) / 2\pi\)。兩者只是用不同單位描述同一個旋轉動作。
為什麼質量出現在分母?較重的物體只需較慢的速度就能產生相同的力,因此在 \(F\) 與 \(r\) 固定的情況下,質量越大,\(\omega\) 就越小。
什麼是 kgf?公斤力是指一公斤質量在標準重力下所受的力,恰好等於 9.80665 N。