人的终端速度，自由落体和阻力gydF4y2Ba

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尤金·布伦南gydF4y2Ba
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美国东部时间2022年7月26日下午5:35gydF4y2Ba

drag-force-and-the-terminal-velocity-of-a-humangydF4y2Ba — ©Eugene BrennangydF4y2Ba

掉落在真空中的物体会发生什么?gydF4y2Ba

我们都知道，当一个物体从一定高度被释放出来时，它就开始下落。当然，这是由于重力，或者更具体地说，是由于物体和地球之间的引力。重力使物体在向地球下落时加速并增加速度。实际上，地球和物体都相互吸引，地球同时向上运动。然而，由于与一个小物体相比，它的质量如此之大，力如此之小，它的运动是微乎其微的。gydF4y2Ba

重力对任何东西都有作用力。gydF4y2Ba

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运动学中量的定义gydF4y2Ba

在进一步讨论之前，让我们先定义一些术语gydF4y2Ba运动学,gydF4y2Ba这是物理学中与物体运动有关的一个领域。gydF4y2Ba

质量:gydF4y2Ba质量:物体中物质的数量一个物体的质量越大，所含的物质就越多gydF4y2Ba惯性gydF4y2Ba它有，但不愿行动。gydF4y2Ba
速度:gydF4y2Ba物体位置的变化率(物体移动的速度)。gydF4y2Ba
速度:gydF4y2Ba在给定方向上的速度。速度是agydF4y2Ba向量gydF4y2Ba量，这意味着它有一个叫做速度的大小和一个方向。在物理学中，我们通常谈论速度而不是速度。gydF4y2Ba
力量:gydF4y2Ba推或拉力使有质量的物体加速。gydF4y2Ba
加速度:gydF4y2Ba速度变化的速率。gydF4y2Ba
自由落体:gydF4y2Ba当一个物体仅受重力影响而没有其他力作用时。gydF4y2Ba

请参阅我的初学者力学指南，以更详细地了解力和运动的基础知识:gydF4y2Ba

牛顿的运动定律和理解力，质量，加速度，速度，摩擦，功率和矢量gydF4y2Ba

物体下落时速度会持续增加吗?gydF4y2Ba

如果一个物体落在地球大气层外的真空中，由于重力的加速度，它的速度会继续增加。这叫做gydF4y2Ba自由落体gydF4y2Ba．然而，如果物体从空气(或其他流体，如水)中下落，这就限制了它能达到的最大速度。gydF4y2Ba

重力使物体加速。gydF4y2Ba

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拖曳力gydF4y2Ba

当一个物体在流体中运动时，它受到一个与运动相反的力，并倾向于使运动慢下来。这个力叫做gydF4y2Ba阻力。gydF4y2Ba流体可以是液体，如水，也可以是气体的混合物，如空气。gydF4y2Ba如果你把手伸出行驶中的汽车车窗外，或者试图趟过水，你就能感受到这种力。gydF4y2Ba

什么影响阻力?gydF4y2Ba

物体移动得越快，所受的阻力就越大。事实上，它呈指数增长，这意味着如果速度增加一倍，阻力增加四倍，如果速度增加三倍，阻力增加九倍，以此类推。阻力也受形状或表面的影响gydF4y2Ba几何gydF4y2Ba物体的。飞机、火车、轮船、公路车辆、子弹和导弹都采用流线型设计，以减少阻力、降低能源消耗和降低速度。gydF4y2Ba

当一个物体在真空中下落时，它只受重力的作用而自由下落。然而，如果它落在地球大气层内，它会受到阻力，使其减速。gydF4y2Ba

重力向下作用，拖曳力向上作用。gydF4y2Ba

超音速客机协和式飞机。飞机有纤细的流线型外形以减少阻力。gydF4y2Ba

Eduard Marmet, CC BY SA 2.0未通过维基共享资源移植gydF4y2Ba

一种叫做阻力的力与重力相反。gydF4y2Ba

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什么是体重?gydF4y2Ba

质量是物体中物质的数量，但在物理学中，质量和重量有非常具体的含义。虽然一个物体的质量是相同的，不管它在宇宙中的位置，重量是不同的。重量是物体之间的引力，等于质量乘以重力加速度g。gydF4y2Ba

所以重力或重量是gydF4y2Ba

FgydF4y2Ba_ggydF4y2Ba=毫克gydF4y2Ba

在哪里gydF4y2BaFgydF4y2Ba_ggydF4y2Ba力的单位是牛顿(N)gydF4y2Ba

米gydF4y2Ba物体质量的单位是千克(kg)gydF4y2Ba

而且gydF4y2BaggydF4y2Ba重力加速度的单位是米每秒平方(m/s)吗gydF4y2Ba^2gydF4y2Ba）gydF4y2Ba

G大约是9.81米每秒每秒，写为9.81米/秒或m/秒gydF4y2Ba^2gydF4y2Ba

地球和其他物体之间存在着相互吸引。gydF4y2Ba

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在平衡时，拖曳力等于物体的重量gydF4y2Ba

作用在自由落体上的合力是向下作用的重量和向上作用的拖曳力之间的差。只要这个是正的，物体就会一直向下加速。gydF4y2Ba

由于阻力随着速度的增加而增加，最终在某一阶段它等于落体的重量(它不变，在F保持不变)gydF4y2Ba_ggydF4y2Ba=毫克)。gydF4y2Ba
一旦达到这个平衡点，由于两个力相等，物体上就没有合力。没有合力意味着没有更多的力来保持物体加速，所以它的速度达到最大值称为gydF4y2Ba终端速度。gydF4y2Ba

随着速度的增加，向上的拖曳力最终等于向下的重力，合力变为零，物体不再加速。它已经达到了终端速度。gydF4y2Ba

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无阻力下落物体的速度gydF4y2Ba

题外话，让我们看看没有阻力时物体下落速度的方程。如果一个物体在真空中下落时没有受到阻力的减慢，其速度v (m/s)由以下公式给出:gydF4y2Ba

V =√(2gh)gydF4y2Ba

其中g是重力加速度。gydF4y2Ba

h是下降的距离，单位是米(m)gydF4y2Ba

以物体下落后的时间t(秒)表示，速度的另一个方程是:gydF4y2Ba

V = gtgydF4y2Ba

从这个角度来看，在真空中自由落体10秒后，一个物体的运动速度将是:gydF4y2Ba

V = gtgydF4y2Ba= 9.81 x 10 = 98.1米/秒或355公里/小时(219英里/小时)gydF4y2Ba

然而，正如我们将要看到的，阻力对速度有一个上限。gydF4y2Ba

如果没有大气和阻力，下落物体的速度会增加，直到它们撞击地面。gydF4y2Ba

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阻力方程gydF4y2Ba

阻力方程描述了物体在流体中运动时所受到的力:gydF4y2Ba

如果FgydF4y2Ba_dgydF4y2Ba为阻力，则:gydF4y2Ba

FgydF4y2Ba_dgydF4y2Ba=½ρ ugydF4y2Ba^2gydF4y2BaCgydF4y2Ba_dgydF4y2Ba一个gydF4y2Ba

在哪里gydF4y2BaFgydF4y2Ba_dgydF4y2Ba为力，单位为牛顿(N)gydF4y2Ba

pgydF4y2Ba流体的密度是以千克每立方米(千克/米gydF4y2Ba^3.gydF4y2Ba）gydF4y2Ba

ugydF4y2Ba是物体相对于流体的速度，单位为米每秒(m/s)。gydF4y2Ba

CdgydF4y2Ba阻力系数取决于物体的形状和表面的性质吗gydF4y2Ba

而且gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba物体在m内的正交投影面积是多少gydF4y2Ba^2gydF4y2Ba．这可以可视化为物体投射在表面上的阴影面积，如果有平行光束照射在物体上并垂直于该表面。gydF4y2Ba
因为ugydF4y2Ba^2gydF4y2Ba方程中的一项，阻力随速度的平方而增加。gydF4y2Ba