什么是往返平均速度?
当你以两种不同的恒定速度往返同一段相同距离时,整段行程的平均速度并不是两个速度的简单平均值。由于在较慢的那一段上花费的时间更多,慢速度会占据更大的权重。正确的算法是取两个速度的调和平均数。这是纯粹的匀速运动物理原理,全世界通用,与国家或地区无关。
如何使用
用相同的单位填入去程速度(v1)和返程速度(v2)——默认单位为千米每小时。计算器会以同样的单位返回往返平均速度,同时还会显示算术平均数,方便你直观对比它与正确答案之间的差距。
公式详解
设单程距离为 \(d\),则总距离为 \(2d\)。去程用时为 \(d/v_1\),返程用时为 \(d/v_2\),因此总用时为 \(d(v_1+v_2)/(v_1 \cdot v_2)\)。平均速度等于总距离除以总时间:
$$v = 2d \div \left[ \frac{d(v_1+v_2)}{v_1 \cdot v_2} \right] = \frac{2 \cdot v_1 \cdot v_2}{v_1+v_2}$$
距离 \(d\) 被约掉了,所以结果只取决于两个速度。
实例演算
设 \(v_1 = 12 \text{ km/h}\),\(v_2 = 20 \text{ km/h}\):$$v = \frac{2 \times 12 \times 20}{12 + 20} = \frac{480}{32} = 15 \text{ km/h}$$如果错误地用算术平均数,会得到 \((12 + 20) \div 2 = 16 \text{ km/h}\)。
常见问题
为什么不能直接用 \((v_1+v_2)/2\)?因为距离相同就意味着用时不同——你在慢速段上耗时更久,所以它的权重更大。只有当你在每个速度上花费的时间相等时,算术平均数才会正确。
如果某个速度非常大会怎样?当其中一段的速度趋于无穷大时,平均速度会逼近较慢速度的两倍,且永远不会超过这个值。例如 \(v_2 = 20\) 时,无论 \(v_1\) 跑得多快,往返平均速度始终低于 \(40 \text{ km/h}\)。
如果某个速度为零呢?那么这一段永远走不完,公式将返回 0——你无法完成整段往返。此外,该公式要求去程和返程的距离相等;若两段距离不同,请改用「总距离 ÷ 总时间」来计算。