什麼是斯托克斯定律?
斯托克斯定律(Stokes' Law)描述微小球形顆粒在黏性流體中緩慢移動時所受的阻力。當顆粒在重力作用下沉降時,會很快達到一個固定的終端速度(沉降速度),此時重力、浮力與阻力三者達到平衡。本計算機可根據顆粒與流體的性質求出這個速度。這是普世通用的物理原理,不受任何國家或地區法規限制。
計算公式
終端速度為:
$$v = \frac{2}{9} \cdot \frac{\left(\rho_p - \rho_f\right) \cdot g \cdot r^{2}}{\mu}$$
其中 \(\rho_p\) 為顆粒密度(kg/m³),\(\rho_f\) 為流體密度(kg/m³),\(g\) 為重力加速度(m/s²),\(r\) 為顆粒半徑(m),\(\mu\) 為流體的動力黏度(Pa·s)。對應的阻力為 \(F_d = 6\pi \mu r v\)。
使用方式
請輸入顆粒密度、流體密度、顆粒半徑(單位為公尺)、流體黏度,以及當地的重力加速度(地球表面為 9.81 m/s²)。計算結果即為以 m/s 為單位的沉降速度。數值為正代表顆粒下沉;數值為負(當顆粒比流體輕時)則代表顆粒上浮。
範例計算
一顆沙粒(\(\rho_p = 2500\) kg/m³,\(r = 0.001\) m)在水中沉降(\(\rho_f = 1000\) kg/m³,\(\mu = 0.001\) Pa·s,\(g = 9.81\)):
$$v = \frac{2}{9} \times \frac{(2500 - 1000) \times 9.81 \times (0.001)^{2}}{0.001} = \frac{(0.2222) \times 1500 \times 9.81 \times 1\times10^{-6}}{0.001} \approx 3.27 \text{ m/s}$$
(注意:這種尺寸的真實沙粒已超出低雷諾數範圍,因此斯托克斯定律在此會高估速度——它僅在極小顆粒的情況下才精確成立。)
常見問題
斯托克斯定律在什麼情況下成立?僅適用於低雷諾數(Re 約小於 1)的情況,也就是顆粒微小、速度緩慢且流體具黏性時。
為什麼半徑必須以公尺為單位?因為公式採用 SI 國際單位制,請先將微米或公釐換算成公尺(1 mm = 0.001 m)。
如果顆粒的密度比流體小怎麼辦?計算出的速度會是負值,表示顆粒受浮力作用而上浮,而非下沉。