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输入计算

数学公式

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结果

终端(沉降)速度
34.3
m/s
速度(km/h) 123.48 km/h

什么是终端速度?

终端速度是指物体下落时所达到的恒定速度,此时空气(或液体)的阻力恰好与向下的重力相互抵消。在牛顿区中——也就是物体周围流动呈湍流状态、阻力与速度的平方成正比的情况——这种受力平衡可以推导出一个简洁的沉降速度解析公式。本计算器具有通用性,只要输入采用统一的国际单位制(SI)数值即可适用。

Falling sphere with downward gravity arrow balanced by upward drag arrow at terminal velocity
At terminal velocity the upward drag force balances the downward weight, so the object stops accelerating.

如何使用本计算器

依次输入物体质量(kg)、当地重力加速度(地球表面约为 9.81 m/s²)、周围流体的密度(海平面空气约 1.225 kg/m³,水约 1000 kg/m³)、迎风投影面积(m²)以及阻力系数 Cd(球体约 0.47,平板约 1.0)。计算器会同时给出 m/s 和 km/h 两种单位的终端速度结果。

公式解析

达到终端速度时,阻力 \(\tfrac{1}{2}\rho v^2 A C_d\) 等于重力 \(mg\)。对 \(v\) 求解即得

$$v = \sqrt{\dfrac{2 \, \text{Mass} \cdot \text{Gravity}}{\text{Density } \rho \cdot \text{Area } A \cdot \text{Drag } C_d}}$$

质量越大、越重的物体下落得越快;而流体密度越大、迎风面积越大或阻力系数越高,都会使物体减速。

Diagram showing the variables mass, gravity, fluid density, frontal area and drag coefficient feeding into the velocity formula
Each variable in the formula: mass m, gravity g, fluid density ρ, frontal area A and drag coefficient Cd.

实例演算

一个棒球质量为 0.145 kg,迎风面积 0.0042 m²,Cd = 0.47,在空气中下落(ρ = 1.225 kg/m³,g = 9.81 m/s²):分母 \(\rho A C_d = 1.225 \times 0.0042 \times 0.47 \approx 0.002418\)。于是

$$v = \sqrt{\dfrac{2 \times 0.145 \times 9.81}{0.002418}} \approx \sqrt{1176.6} \approx 34.3 \ \text{m/s}$$

(约合 123 km/h)。

常见问题

这个公式适用于液体中的微小颗粒吗? 牛顿区公式适用于雷诺数较高的情形(大约在 1000–200,000 之间)。对于运动缓慢的极微小颗粒,则应改用斯托克斯定律。

该选用什么阻力系数? 光滑球体约为 0.47,流线型物体约 0.04,迎流的平板约为 1.0–1.28。请根据物体的实际形状选取合适的数值。

为什么给出两种速度单位? m/s 是国际单位制的标准结果;km/h 则更便于直观比较(将 m/s 乘以 3.6 即可换算)。

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