什么是终端速度?
终端速度是指物体在流体(如空气或水)中下落时,最终达到的恒定最大速度。在这一速度下,向上的阻力恰好与向下的重力相平衡,合力为零,物体不再继续加速。本计算器适用于任意下落物体、任意流体以及任意重力加速度,因此无论是物理作业、跳伞速度估算还是工程研究,都能通用。
如何使用本计算器
请依次输入:物体质量(千克)、重力加速度(地球表面约为 9.81 m/s²)、周围流体的密度(海平面处空气约为 1.225 kg/m³)、迎着气流方向的截面积(平方米),以及无量纲的阻力系数(人体约为 1.0,球体约为 0.47)。计算器会同时给出 m/s、km/h 和 mph 三种单位的终端速度结果。
公式详解
计算公式为 $$v = \sqrt{\dfrac{2 \cdot m \cdot g}{\rho \cdot A \cdot Cd}}$$。该公式由阻力 \(\frac{1}{2} \cdot \rho \cdot v^2 \cdot A \cdot Cd\) 等于重力 \(m \cdot g\) 推导而来,再解出 \(v\) 即可。物体越重、密度越大,下落速度越快;而截面积越大、流体越稠密或阻力系数越高,都会使下落速度变慢。
实例演算
以一名 75 kg 的跳伞者为例,取 g = 9.81、ρ = 1.225 kg/m³、A = 0.7 m²、Cd = 1.0:分子 \(= 2 \times 75 \times 9.81 = 1471.5\);分母 \(= 1.225 \times 0.7 \times 1.0 = 0.8575\)。于是 $$v = \sqrt{\dfrac{1471.5}{0.8575}} = \sqrt{1716.04} \approx 41.4 \ \text{m/s}$$,约合 149 km/h——这与真实的腹部朝下姿势跳伞速度十分接近。
常见问题
质量会影响终端速度吗?会。物体越重,终端速度越高,因为需要更大的阻力才能与更大的重力相平衡。
典型的阻力系数是多少?平面朝下的人体约为 1.0–1.3,光滑球体约为 0.47,流线型水滴形则可低至 0.04。
为什么要用到流体密度?同一物体在水中(ρ ≈ 1000)下落时的终端速度,远低于在空气中(ρ ≈ 1.225)下落,这正是因为流体密度差异巨大。