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二維運動:拋體

拋出的球其弧線的祕密,在於它的水平與鉛直運動彼此完全獨立——一旦看懂這點,你就能預測它落在哪裡。

唯一的大觀念:x 與 y 彼此獨立

二維運動看起來比一維難,但有一個觀念能馴服它:水平運動與鉛直運動各自獨立進行,各自遵守自己的一維方程式,唯一的連結是共用同一個時鐘。把任何二維速度拆成互相垂直的分量,你就能把每個方向分開處理。

建立拋體的模型

拋體運動是物體被拋入空中、之後只在重力作用下運動的情形(我們理想化地略去空氣)。以速率 v_0、與水平夾角 \theta 拋出,把這個發射速度拆成水平分量 v_{0x} = v_0\cos\theta 與鉛直分量 v_{0y} = v_0\sin\theta

沿著弧線,速度向量會逐漸傾倒:它的水平分量保持不變,鉛直分量則變小、在頂點反向、下降時再變大。只有 vy 在變——重力純粹沿鉛直方向作用。

拋體的方程式

現在把我們已知的東西套到每個方向上。水平方向沒有加速度,所以是等速運動;鉛直方向的加速度是 -g,所以是自由落體。以發射點為原點寫出來:

x = (v_0\cos\theta)\,t, \qquad y = (v_0\sin\theta)\,t - \tfrac{1}{2}\,g\,t^2

水平:等速。鉛直:自由落體。共用的變數是時間 t——那是連結兩者的唯一一條線。

在這兩式之間消去 t,會發現 yx 的二次式:路徑是一條拋物線。拋出的球或噴泉水柱那優雅的弧,並非巧合——它就是「水平等速加上鉛直等加速度」永遠畫出的形狀。這條路徑的形狀就是軌跡

射程、高度與飛行時間

對於落回發射高度的拋體,把上面兩式做一點代數運算,就得到大家通常最在意的三個量:射程 R(水平距離)、最大高度 H,以及總飛行時間 T

R = \frac{v_0^2 \sin 2\theta}{g}, \qquad H = \frac{v_0^2 \sin^2\theta}{2g}, \qquad T = \frac{2\,v_0 \sin\theta}{g}

發射與落地同高時的射程、最大高度與飛行時間。射程在 θ = 45° 時最大,此時 sin 2θ = 1。

調整發射速率與角度,看拋物線、射程、頂點與飛行時間如何隨之變化。注意互餘的角度——例如 30° 與 60°——射程相同,而 45° 飛得最遠。