这个计算器能做什么
本工具模拟理想状态下、不计空气阻力的抛体运动,且发射点与落地点处于同一高度。只要输入初速度 \(v\) 和总飞行时间 \(t\)(即在空中停留的时间),即可求出相对水平方向的发射角、所能达到的最大高度,以及水平射程(飞行距离)。
使用方法
先输入初速度,并选择对应单位(m/s 或 km/h)。再输入以秒为单位的飞行时间,以及重力加速度(单位 m/s²,默认值为 9.80665,即标准重力加速度)。计算器会先把速度换算成国际单位制(SI),再依次推导出发射角、最大高度和射程。如果初速度太小,不足以让物体在给定时间内停留在空中,计算器会提示无实数解。
公式详解
总飞行时间只取决于竖直方向的运动。物体上升到最高点所需的时间为 \(t/2\),此时竖直速度为零,因此竖直方向的初速度分量为 \(v_y = g \cdot t/2\)。水平方向的速度分量为 \(v_x = \sqrt{v^2 - v_y^2}\)。于是,射程为 \(l = v_x \cdot t\),最大高度为 \(h = g \cdot t^2/8\),发射角为 \(\theta = \arctan(4h/l)\),最后换算成角度(度)。
$$\theta = \arctan\!\left(\frac{4H}{R}\right) \\[1.5em] \text{where}\quad \left\{ \begin{aligned} v &= \dfrac{\text{Speed}}{3.6} \\ v_y &= \dfrac{\text{g}\cdot\text{t}}{2} \\ v_x &= \sqrt{v^{2}-v_y^{2}} \\ R &= v_x\cdot\text{t} \\ H &= \dfrac{\text{g}\cdot\text{t}^{2}}{8} \end{aligned} \right.$$
实例演算
设 \(v = 90\ \text{km/h} = 25\ \text{m/s}\),\(t = 5\ \text{s}\),\(g = 9.80665\ \text{m/s}^2\):则
$$v_y = \frac{9.80665 \cdot 5}{2} = 24.5166\ \text{m/s}$$$$v_x = \sqrt{625 - 601.065} = 4.8923\ \text{m/s}$$所以 \(l = 24.46\ \text{m}\),
$$h = \frac{9.80665 \cdot 25}{8} = 30.65\ \text{m}$$发射角
$$\theta = \arctan\!\left(\frac{4 \cdot 30.65}{24.46}\right) = \arctan(5.011) \approx 78.72°$$常见问题
为什么会显示“无实数解”? 物理上要成立,必须满足 \(v \ge g \cdot t/2\)。如果初速度相对于要求的滞空时间太小,根号下的数值就会变成负数,此时不存在符合条件的发射方式。
如果射程为零会怎样? 当 \(v\) 恰好等于 \(g \cdot t/2\) 时,水平速度分量为零,相当于竖直向上发射,发射角为 90°。
计算时考虑空气阻力吗? 不考虑。这是理想真空模型;在现实中,由于空气阻力的存在,实际射程会比计算值更短。