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輸入計算

數學公式

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結果

終端(沉降)速度
34.3
m/s
速度(km/h) 123.48 km/h

什麼是終端速度?

當物體下墜時,空氣(或液體)的阻力會逐漸增大,直到與向下的重力完全抵消,此時物體不再加速,維持等速下降,這個固定速度就稱為「終端速度」。在牛頓紊流區中——也就是物體周圍的流動屬於紊流、阻力與速度平方成正比的情況——這種力平衡可以推導出一個簡潔的解析公式,直接求出沉降速度。本計算機通用於各種情況,只要輸入一致的 SI 單位即可使用。

Falling sphere with downward gravity arrow balanced by upward drag arrow at terminal velocity
At terminal velocity the upward drag force balances the downward weight, so the object stops accelerating.

如何使用本計算機

請依序輸入物體質量(kg)、當地重力加速度(地球表面約為 9.81 m/s²)、周圍流體的密度(海平面空氣約 1.225 kg/m³,水約 1000 kg/m³)、迎風投影面積(m²),以及阻力係數 Cd(球體約 0.47,正對流向的平板約 1.0)。計算機會同時以 m/s 與 km/h 兩種單位顯示終端速度。

公式解析

當物體達到終端速度時,阻力 \(\frac{1}{2}\rho v^2 A C_d\) 會等於重量 \(mg\)。將兩者相等並解出 \(v\),可得

$$v = \sqrt{\dfrac{2 \, \text{Mass} \cdot \text{Gravity}}{\text{Density } \rho \cdot \text{Area } A \cdot \text{Drag } C_d}}$$

質量越大、越重的物體下墜越快;而流體密度越高、迎風面積越大或阻力係數越高,都會使物體下墜得越慢。

Diagram showing the variables mass, gravity, fluid density, frontal area and drag coefficient feeding into the velocity formula
Each variable in the formula: mass m, gravity g, fluid density ρ, frontal area A and drag coefficient Cd.

實例計算

以一顆棒球為例,質量 0.145 kg、迎風面積 0.0042 m²、Cd = 0.47,在空氣中(ρ = 1.225 kg/m³、g = 9.81 m/s²)下墜:分母 \(\rho A C_d = 1.225 \times 0.0042 \times 0.47 \approx 0.002418\)。代入後得

$$v = \sqrt{\dfrac{2 \times 0.145 \times 9.81}{0.002418}} \approx \sqrt{1176.6} \approx 34.3 \ \text{m/s}$$

(約 123 km/h)。

常見問題

這個公式適用於液體中的微小顆粒嗎? 牛頓紊流區的方程式適用於雷諾數較高的情況(大約 1000~200,000)。若是極小且移動緩慢的顆粒,應改用斯托克斯定律(Stokes' law)。

該選用哪個阻力係數? 光滑球體約為 0.47,流線型物體約 0.04,正對流向的平板約 1.0~1.28。請依物體的實際形狀選擇合適的數值。

為什麼會顯示兩種速度單位? m/s 是 SI 制的計算結果;km/h 則是為了方便直覺比較而附上(將 m/s 乘以 3.6 即可換算)。

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