什麼是終端速度?
終端速度(terminal velocity)是物體在流體(例如空氣或水)中下墜時,所能達到的固定最大速度。當速度達到這個臨界值時,向上的阻力剛好與向下的重力互相抵消,合力為零,物體便不再加速。本計算器適用於任何下墜物體、任何流體與任何重力值,無論是物理作業、跳傘速度估算,還是工程研究,都能通用。
計算器使用方式
請依序輸入物體的質量(公斤)、重力加速度(地球表面為 9.81 m/s²)、周圍流體的密度(海平面空氣約為 1.225 kg/m³)、迎風面的截面積(平方公尺),以及無因次的阻力係數(人體約為 1.0,球體約為 0.47)。計算器會同時以 m/s、km/h 與 mph 三種單位呈現終端速度。
公式解析
計算公式為 $$v_t = \sqrt{\dfrac{2 \cdot \text{Mass (kg)} \cdot \text{g}}{\rho \cdot \text{A} \cdot \text{Cd}}}$$。它的推導方式是讓阻力 \(\frac{1}{2} \cdot \rho \cdot v^2 \cdot A \cdot Cd\) 等於重量 \(m \cdot g\),再解出 \(v\)。物體越重或密度越大,下墜速度越快;而截面積越大、流體越濃稠,或阻力係數越高,都會讓速度變慢。
實際範例
以一位 75 公斤的跳傘者為例,設 \(g = 9.81\)、\(\rho = 1.225 \text{ kg/m}^3\)、\(A = 0.7 \text{ m}^2\)、\(Cd = 1.0\):分子 \(= 2 \times 75 \times 9.81 = 1471.5\);分母 \(= 1.225 \times 0.7 \times 1.0 = 0.8575\)。因此 $$v = \sqrt{\dfrac{1471.5}{0.8575}} = \sqrt{1716.04} \approx 41.4 \text{ m/s}$$,約等於 149 km/h,與實際趴姿跳傘的速度相當接近。
常見問題
質量會影響終端速度嗎?會。物體越重,終端速度越高,因為需要更大的阻力才能平衡較大的重量。
典型的阻力係數是多少?正面迎風的人體約為 1.0~1.3,光滑球體約為 0.47,而流線型的水滴狀物體甚至可低至 0.04。
為什麼要考慮流體密度?同一個物體在水中(\(\rho \approx 1000\))下墜的終端速度,會遠低於在空氣中(\(\rho \approx 1.225\))下墜的速度。