拋體運動飛行時間計算器
依初速度、發射角度、高度與重力加速度,計算拋體在空中停留的時間。
拋體飛行時間
利用鉛直運動方程式,求出拋體到達地面時對應的正時間解。
關於拋體飛行時間
飛行時間是拋體從發射點離開,到達所選地面高度所經過的時間。本計算器採用理想拋體運動模型:重力固定、地面水平,且忽略空氣阻力。這些假設讓我們能單獨分析鉛直方向的運動,因為水平速度會影響射程,卻不決定物體何時落地。初速度與發射角度可透過 vᵧ = v sin(θ) 換算為鉛直速度。
時間 t 的鉛直位置為 y(t) = h + vᵧt − gt²/2,其中 h 是初始高度,g 是重力加速度。令 y 為零即可得到二次方程式。具有物理意義的正根為 t = (vᵧ + √(vᵧ² + 2gh)) / g。當發射與落地高度相同時,h 為零,公式簡化為常見的 t = 2v sin(θ) / g。從高處發射的拋體必須再下降初始高度才能到達地面,因此滯空時間更長。
請搭配使用公尺、秒及公尺每秒,以確保 SI 單位結果一致。標準重力加速度為 9.80665 m/s²,而多數課堂計算使用 9.81 m/s² 即已足夠。重力會隨緯度與海拔略微變化,在其他天體則需使用不同數值:月球約為 1.62 m/s²,火星約為 3.71 m/s²。角度以水平方向為基準向上量測。向下發射在數學上可使用負角度,但實際軌跡仍須從地面上方開始。
真實的球、箭與其他拋射物會受到阻力、風、升力及旋轉影響。對上升的拋體而言,阻力通常會使飛行時間比理想模型短,但實際影響取決於形狀、面積、密度及速度。涉及安全或精度時,請將結果視為解析計算基準,而非完整軌跡模擬的替代方案。本計算器特別適合物理作業、實驗核對、運動軌跡估算,以及比較發射角度或平台高度如何改變滯空時間。
請務必區分飛行時間與到達最高點的時間。拋體最初向上運動時,到達最高點的時間為 vᵧ/g,總滯空時間則還包括後續下落。起落等高時,上升與下降兩段對稱;落點較高或較低時,這種對稱性便不成立。本計算器求解完整的地面交點方程式,因此也適用於從地面上方發射的情況。
拋體飛行時間範例
以下理想化範例採用標準重力,並忽略空氣阻力。
| 發射條件 | 飛行時間 | 說明 |
|---|---|---|
| 20 m/s, 30°, 0 m | 2.0394 s | 起落等高,初始鉛直速度為 10 m/s。 |
| 10 m/s, 0°, 20 m | 2.0196 s | 水平速度不影響從平台落下所需的時間。 |
| 30 m/s, 45°, 0 m | 4.3262 s | 較大的鉛直速度分量讓拋體在空中停留更久。 |
如何計算飛行時間
- 輸入拋體初速度,單位為公尺每秒。
- 輸入相對於水平方向量測的發射角度。
- 輸入發射點高於落地面的高度,並確認重力加速度。
- 選擇「計算飛行時間」,查看滯空時間與初始鉛直速度。
飛行時間常見問題
水平速度會影響飛行時間嗎?
在落地面固定且忽略空氣阻力的理想模型中,不會。只有鉛直速度、發射高度與重力決定拋體何時到達該高度。
為什麼拋體範例常用 45 度?
在起落等高且無阻力時,固定初速度下,45 度能使水平射程最大。但它不會讓滯空時間最長;較大的仰角具有較大的鉛直分量,因此滯空更久。
可以計算沒有初速度的落下過程嗎?
可以。輸入零速度與離地高度,方程式就會簡化為自由落體時間 √(2h/g)。
應該使用哪個重力加速度?
地球標準重力請用 9.80665 m/s²,一般課業可用 9.81。需要更貼近實際情境時,請使用當地或對應天體的數值。
此計算器有考慮空氣阻力嗎?
沒有。空氣阻力需要依物體的阻力係數、截面積、質量及大氣條件進行數值建模。