一階建模與定性分析
終端速度
為什麼一滴下落的雨水、或降落傘張開前的跳傘者,最終會停止加速、以穩定速率下落?因為空氣阻力隨速度增大,而在某個速度時,它恰好增大到剛好抵消重力。淨力歸零,便無加速度,物體以那個固定速度巡航。那個速度就是終端速度。
它是下落物體方程的平衡點。取 m dv/dt = mg − kv:令加速度 dv/dt 為零,意即右邊為零,故 mg − kv = 0,得 v = mg/k。在這個速度,兩力永久平衡;倘若物體不知怎地動得更快,阻力會超過重力而把它減回來,所以終端速度是一個穩定平衡點,一切下落運動都朝它趨近。若用更真實的二次阻力 mg − kv^2 = 0,終端速度為 sqrt(mg/k)。
終端速度是平衡解、以及「解趨向穩定穩態」這個定性概念最乾淨的日常範例。它解釋了為何輕重物體達到不同的巡航速度,為何一張平攤的紙緩緩飄落而揉成一團的紙球迅速墜下,以及降落傘為何有效——張開傘大幅增大 k,把終端速度砍到可存活的著陸速度。
一位重力 mg = 686 N、線性阻力常數 k = 14 kg/s 的跳傘者,終端速度為 mg/k = 49 m/s。張開降落傘後 k 可能躍升至 140 kg/s,使終端速度降為十分之一、約 4.9 m/s——一次溫和的著陸。
令加速度為零:終端速度是阻力抵消重力的平衡點。
終端速度只是被逼近,而與任何指數式趨穩一樣,在有限時間內永不真正達到——物體會任意逼近 mg/k,卻永不恰好等於它。
又称
另见