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1 # 航小北的日常科普
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2 # IS浮世清音
重球先落地
空氣阻力與速度的平方成正比,你說體積相等,就可以除去表面積對阻力的影響,設阻力F=kv²/m,k(為空氣阻力系數),則加速度a=g-F=g-kv²/m,用分離變數微分方程計算,我才算了一會兒,比較麻煩。
我們可以用另一種方法,用單變數來推導,a=g-kv²/m,在同等速度下,質量m越大,加速度a越大,反之越小,在高度不高時,質量大的肯定先落地,如果高度比較高時(v達到一定速度時重力與空氣阻力相等)設這個速度為臨界速度,則質量較大的臨界速度也會比質量較小的臨界速度大,且是質量倍速的√2/2倍,所以也會是重球先落地。
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3 # 力學Nerd王小胖
1、受力分析
如圖所示,小球墜落過程中,受到自身重力G和空氣阻力F的作用。其中,重力通常認為作用與重心處。但是,空氣阻力是面力,是分佈力。如果忽略空氣阻力的影響,那麼不管小球的質量和體積,落地瞬間的速度根據能量守恆發現與質量無關,即同樣高度,落地速度相等。因此,在同樣的重力加速度下,從靜止開始釋放後,小球的墜落時間也完全一樣。由此可見,空氣阻力是關鍵。
2、空氣阻力空氣阻力與迎風面積、形狀、相對速度有關,公式如下。其中,cp為空氣阻力系數,由試驗測得,s為迎風面積,v是相對速度。
顯然,體積一樣得小球,形狀也一樣,因此cp值和s值完全一樣。但是由於墜落過程中的加速度不一樣,較輕的小球速度慢於較重的小球,因此在同一時刻,較輕的小球阻力也小。不過,比較同一速度下,兩者的阻力完全一樣。
剛開始的時候,速度都為零,其阻力也為零。隨著速度的增加,較重的小球加速度大,速度增加的快,隨著時間的增加,平衡後的速度也較大。如下圖。因此,較重的小球首先到達地面。
3、兩個小球“同時”落地理論上,題目中的兩個小球不肯能同時落地,因為空氣阻力不一樣。同一時刻,輕球的阻力小於重球,因此重球速度快,先墜地。但是,在工程處理中,當重力非常大的時候,空氣阻力可以忽略。
墜落距離通常是有限的,小球的墜落過程中,重力非常大的情況下,就不可能達到平衡態。而此時,空氣阻力與速度平方正比,速度較小,阻力幾乎可以忽略。舉個例子,重力100N,最大空氣阻力10N以內(具體看工程的精度要求),兩者不在同一數量級上,較小的空氣阻力就可以忽略。
4、總結嚴格來講,由於同一時刻空氣阻力的差異,導致重球的速度大於輕球的速度,因此重球會先於輕球墜地。但是,在工程處理中,如果阻力與重力相比,不在同一數量級上,那麼可以認為兩球“同時”落地。
回覆列表
我來回答一下這個問題:明顯的,這兩個球不會同時落地。
空氣阻力是怎麼產生的?是一定形狀的物體跟空氣之間發生互相作用而產生的。一般來說,空氣阻力的公式如下圖所示:
其中F就是受到的阻力大小,V是物體運動速度的大小,剩下來的物理量都跟物體的形狀和體積有關。所以只要大小、形狀相同的物體,如果他們的運動速度也相同,產生的阻力也是一樣的。
所以,這兩個體積一樣的球,在空氣中只要運動速度一樣,那麼產生的阻力就一樣。但是問題在於,這兩個球的運動過程是完全不同的。因為雖然兩個球體在空氣中受到的阻力具有相類似的一面,但是兩個物體的重力不一樣,所以重力減去阻力之後的力也是不一樣的——在這樣的合力作用下,兩者的加速度不同,運動過程當然也不同。
簡單說:更重的那個物體受到相同大小的阻力,加速度還是要比輕一點的那個物體大一些,所以兩個物體的運動過程不一樣。但是有人想:會不會重的那個加速度大,速度變得更高,阻力也變得更大,這樣一抵消,說不定兩個物體可以同時落地了。
能夠這樣想,說明你確實思考問題很仔細。但是這種情況是不會發生的。我們只要換一個角度想一下這個問題,就可以不用計算也能夠說明這種情況是絕對不會發生的了:
較重的球即便是速度與較輕的球速度相同,也會因為加速度比較輕的球大,所以在下一個瞬間速度超過輕球,並且把這個差距越拉越大,不會再出現兩者速度一樣的情況。因此從掉落的那一瞬間,是兩個球唯一的速度相同的時刻,後面的每時每刻重球的速度都更大,所以兩個球是不可能同時落地的。