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输入计算

数学公式

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结果

下落距离 h
1,961.66
米 (m)
下落速度 v 54.24 m/s
下落速度 v 195.26 km/h

这个计算器能做什么

本工具模拟物体在重力作用下从静止开始下落,同时受到二次(与速度平方成正比)空气阻力的影响。只要输入已经下落的时间,它就能算出物体下落了多远、此刻速度有多快,速度同时以 m/s 和 km/h 两种单位给出。该模型基于通用物理规律,在任何地方都适用。

下落的物体,重力箭头向下,空气阻力箭头向上
从静止下落的物体受到向下的重力和向上的平方律空气阻力。

使用方法

填入物体的质量(千克或克)、以秒为单位的下落时间、综合空气阻力系数 k(单位 kg/m),以及重力加速度 g(默认采用标准重力 9.80665 m/s²)。点击「计算」即可得到下落距离和速度。

公式解析

运动方程为 m·dv/dt = m·g − k·v²。从静止开始下落时,它有如下解析解:

v(t) = sqrt(m·g/k) · tanh(sqrt(g·k/m)·t),h(t) = (m/k) · ln(cosh(sqrt(g·k/m)·t))。

其中终端速度 v_terminal = sqrt(m·g/k),即物体逐渐趋近的最大速度;特征速率 a = sqrt(g·k/m)。当 a·t 较大时,速度便会趋于饱和,逼近终端速度。若 k = 0,模型就退化为无阻力的理想自由落体:v = g·t,h = 0.5·g·t²。

两条曲线:速度上升趋向水平的终端速度线,距离不断增加
速度上升并在终端速度处趋于平稳,而距离持续增加。

实例演算

取 m = 72 kg、t = 40 s、k = 0.24 kg/m、g = 9.80665 m/s²:终端速度 v_terminal = sqrt(72·9.80665/0.24) = 54.23 m/s,a = sqrt(9.80665·0.24/72) = 0.1808/s,a·t = 7.232。于是 v = 54.23·tanh(7.232) = 54.24 m/s = 195.26 km/h,h = (72/0.24)·ln(cosh(7.232)) = 300·6.539 = 1961.7 m。此时物体基本上已经达到终端速度。

常见问题

系数 k 是什么? 它是一个综合阻力系数,单位为 kg/m,这样 k·v² 算出来就是以牛顿为单位的力。它把空气密度、阻力系数和迎风横截面积都打包在了一起。

为什么速度会不再增加? 阻力随 v² 增长;一旦阻力与重力相平衡,合力便为零,物体就以恒定的终端速度下落。

可以把 k 设为零吗? 可以——此时计算器会自动回退到经典的无阻力公式 v = g·t 和 h = 0.5·g·t²。

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