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。
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。
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)。