(大約)45度(或者0度水平往前扔)我試試能不能儘量簡單地講清楚為什麼是45度哈。按照國際田聯的規定,競技體育用的標槍重800克(男)或是600克(女)。500牛頓的力能給標槍1.2-1.6m/s^2的加速度。加速度多大並不重要,重要的是,500牛頓的力,足夠讓標槍動起來了。假設這個初速度是V。標槍能飛多遠跟這個速度有關;標槍以什麼角度能飛得最遠跟這個速度沒關(當然如果這個速度大到足以擺脫地心引力的話,那就是另外一回事了)。先說最簡單的情況——假如你是在太空中投擲標槍這時候除了你給標槍的500牛頓力,再沒有別的力影響標槍的運動。所以這個時候,直直朝你想要的目標投出去就行了。標槍會一直以速度V向前飛行,沒有什麼意外的話,有多遠就會扔多遠。接下來稍微複雜一點——在地面上投擲,但是沒有空氣阻力這個時候,從標槍離手開始,標槍一邊以初速度V沿著離手的方向飛行,一邊被地心引力會“拽著”落向地面。因為地心引力的作用,從離手開始,到最終落地,這是標槍能夠飛行的時間。如果想讓標槍多飛一會兒,就需要給標槍一個向上的力來抵消重力的作用(比如把標槍托在或是掛在空中),或者一個向上的速度來抵消重力加速度的作用(重力加速度需要先把標槍向上的速度減到0,才能開始拽著它下落)。顯然,如果你垂直往上扔(90度),標槍在空中飛行的時間是最長的。可惜的是,垂直往上扔的話,標槍就不會向前飛了。雖然飛的時間久,但是從哪兒飛出去的最後還會落回哪兒。想讓標槍往前飛,標槍的初始速度V就需要有“向前”的方向。如果V全部用來讓標槍往前飛(0度),雖然向前的速度最大了,但是飛行時間就是標槍從離手的高度掉到地上的時間,很短,也飛不遠。所以,想讓標槍飛得遠一些,就得把V分成兩部分,一部分讓標槍往上飛,儘量延長飛行時間,一部分往前飛,儘量飛得快些。簡單說,當投擲角度是45度的時候,速度V被“平分”了——飛行時間和向前的飛行速度在這個時候達成最佳組合,所以標槍飛得最遠。如果你學過向量和三角函式的話,可以按照投擲角度把初始速度分成豎直和水平兩個方向的分量,標槍最終的飛行距離,取決於初始速度,也取決於 cos(投擲角度)*sin(投擲角度) 的結果。這個結果,在投擲角度等於45度的時候最大。這張圖是投擲角度從0度到85度,每變化5度時,投擲距離的變化。圖片來源:wired.com
最後,為什麼在一開始說的是(大約)45度呢?
因為剛才咱們考慮的情況裡沒有空氣阻力。如果再考慮空氣阻力的話,向前的速度會因為空氣阻力逐漸減小,所以,在分配初始速度V的時候,就需要稍微多一些向前的速度來抵消空氣阻力的作用。換句話說,這時候需要比45度更“向前”一點,角度稍微小一點,大約43度左右。
最最後,為什麼還有一個(或者0度水平往前扔)
如果你是從一個特別特別高的樓上或者山上往下扔標槍。如果樓或者山的高度遠遠超過了你能向上扔標槍的高度,那決定標槍飛行時間的是樓或者山的高度,你扔的高度並不會造成什麼顯著影響。既然你沒辦法影響標槍的飛行時間,那當然是把所有的初始速度都用在向前飛上,標槍飛得最遠了,對吧?
(大約)45度(或者0度水平往前扔)我試試能不能儘量簡單地講清楚為什麼是45度哈。按照國際田聯的規定,競技體育用的標槍重800克(男)或是600克(女)。500牛頓的力能給標槍1.2-1.6m/s^2的加速度。加速度多大並不重要,重要的是,500牛頓的力,足夠讓標槍動起來了。假設這個初速度是V。標槍能飛多遠跟這個速度有關;標槍以什麼角度能飛得最遠跟這個速度沒關(當然如果這個速度大到足以擺脫地心引力的話,那就是另外一回事了)。先說最簡單的情況——假如你是在太空中投擲標槍這時候除了你給標槍的500牛頓力,再沒有別的力影響標槍的運動。所以這個時候,直直朝你想要的目標投出去就行了。標槍會一直以速度V向前飛行,沒有什麼意外的話,有多遠就會扔多遠。接下來稍微複雜一點——在地面上投擲,但是沒有空氣阻力這個時候,從標槍離手開始,標槍一邊以初速度V沿著離手的方向飛行,一邊被地心引力會“拽著”落向地面。因為地心引力的作用,從離手開始,到最終落地,這是標槍能夠飛行的時間。如果想讓標槍多飛一會兒,就需要給標槍一個向上的力來抵消重力的作用(比如把標槍托在或是掛在空中),或者一個向上的速度來抵消重力加速度的作用(重力加速度需要先把標槍向上的速度減到0,才能開始拽著它下落)。顯然,如果你垂直往上扔(90度),標槍在空中飛行的時間是最長的。可惜的是,垂直往上扔的話,標槍就不會向前飛了。雖然飛的時間久,但是從哪兒飛出去的最後還會落回哪兒。想讓標槍往前飛,標槍的初始速度V就需要有“向前”的方向。如果V全部用來讓標槍往前飛(0度),雖然向前的速度最大了,但是飛行時間就是標槍從離手的高度掉到地上的時間,很短,也飛不遠。所以,想讓標槍飛得遠一些,就得把V分成兩部分,一部分讓標槍往上飛,儘量延長飛行時間,一部分往前飛,儘量飛得快些。簡單說,當投擲角度是45度的時候,速度V被“平分”了——飛行時間和向前的飛行速度在這個時候達成最佳組合,所以標槍飛得最遠。如果你學過向量和三角函式的話,可以按照投擲角度把初始速度分成豎直和水平兩個方向的分量,標槍最終的飛行距離,取決於初始速度,也取決於 cos(投擲角度)*sin(投擲角度) 的結果。這個結果,在投擲角度等於45度的時候最大。這張圖是投擲角度從0度到85度,每變化5度時,投擲距離的變化。圖片來源:wired.com
最後,為什麼在一開始說的是(大約)45度呢?
因為剛才咱們考慮的情況裡沒有空氣阻力。如果再考慮空氣阻力的話,向前的速度會因為空氣阻力逐漸減小,所以,在分配初始速度V的時候,就需要稍微多一些向前的速度來抵消空氣阻力的作用。換句話說,這時候需要比45度更“向前”一點,角度稍微小一點,大約43度左右。
最最後,為什麼還有一個(或者0度水平往前扔)
如果你是從一個特別特別高的樓上或者山上往下扔標槍。如果樓或者山的高度遠遠超過了你能向上扔標槍的高度,那決定標槍飛行時間的是樓或者山的高度,你扔的高度並不會造成什麼顯著影響。既然你沒辦法影響標槍的飛行時間,那當然是把所有的初始速度都用在向前飛上,標槍飛得最遠了,對吧?