終端速度計算器
估算空氣阻力與重力平衡時所達到的穩定下落速度。
計算終端速度
請使用一致的 SI 單位輸入,以平方阻力模型計算。
關於終端速度
終端速度是下落物體在向上阻力等於向下重力時,逐漸趨近的恆定速度。兩力平衡後,合力與加速度變為零,但物體仍持續移動。本計算器使用常見的平方阻力公式 vₜ = √(2mg/(ρCₐA))。其中 m 為質量,g 為重力加速度,ρ 為流體密度,Cₐ 為無因次阻力係數,A 為垂直於運動方向的投影橫截面積。
此公式最適用於物體在空氣或其他流體中移動得夠快,使阻力近似與速度平方成正比的情況。較大質量或較強重力會提高終端速度;較高流體密度、阻力係數或迎風面積會增加阻力,降低終端速度。因此形狀與姿態影響很大:四肢展開的跳傘者,比同一人以流線型姿態俯衝時有更大的面積,通常阻力係數也較大。
阻力係數不是通用的材料性質。它取決於幾何形狀、表面粗糙度、朝向、雷諾數及流動條件。典型近似值包括光滑球體約 0.47,以及寬大鈍體約 1.0 至 1.3;精確工程分析應採用實驗或經驗證的參考資料。橫截面積必須是迎向流體的面積,而非總表面積。在接近 15 °C 的標準海平面條件下,乾空氣密度約為 1.225 kg/m³;密度會隨海拔升高而降低,也會隨溫度與壓力變化。
此理想模型假設流體密度與阻力係數固定、無風,且下落距離足以形成穩定速度。它不計算接近終端速度所需的時間或距離,也忽略浮力。對空氣中的高密度物體,浮力往往可忽略,但在液體中或對低密度物體可能很重要。涉及安全的航太、運動或工程工作,應將結果視為估計值,並採用完整軌跡模型、適當的不確定性裕度與經驗證的物理資料。
終端速度範例
範例採用空氣密度 1.225 kg/m³ 與重力加速度 9.81 m/s²。
| 輸入 | 速度 | 物體 |
|---|---|---|
| 80 kg,Cₐ 1.0,A 0.7 m² | 42.7818 m/s | 四肢展開的人 |
| 10 kg,Cₐ 0.5,A 0.2 m² | 40.0194 m/s | 緊湊物體 |
| 0.145 kg,Cₐ 0.47,A 0.0042 m² | 34.3029 m/s | 球體近似 |
如何計算終端速度
- 輸入物體的質量。
- 輸入周圍空氣或液體的流體密度。
- 填入阻力係數與投影橫截面積。
- 確認重力加速度,再選擇「計算終端速度」。
常見問題
為什麼較重的物體在此模型中落得更快?
質量增加會產生更大的重力,卻不會直接增加迎風面積。因此其他輸入不變時,平衡所需的速度會更高。
應使用哪個阻力係數?
請使用針對物體形狀與姿態量測的係數,或可信來源的數值。形狀近似表可用於估算,但不適合精密設計。
物體會立即達到終端速度嗎?
不會,物體會加速並漸近於終端速度。本計算器回報極限速度,而非所需時間或距離。
此計算器可以用於水中嗎?
使用合適的密度與阻力資料時,公式可描述液體中的平方阻力。浮力可能很重要,但本計算未納入。
海拔會如何影響結果?
空氣密度通常隨海拔升高而下降,使相同速度下的阻力減少。因此密度較低會提高估算終端速度。