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。
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。
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)。