空气中普通小球的非高速竖直上抛运动的研究STUDY ON NON HIGH SPEED VERTICAL UPWARD THROWING MOTION OF ORDINARY SMALL BALL IN AIR
邵云
摘要(Abstract):
文章首先证明了对于通常材质、大小、初速度(非高速)的实心小球在空气中的竖直上抛运动,将空气阻力系数C_D取作0.42完全可行。文章将空气阻力看作速度的二次函数,采用传统的研究思路,逐步推导出普通小球在空气中做非高速竖直上抛运动的运动学方程,进而推得小球上升的时间和最大高度,以及小球下落的时间和落地速度。分析结果发现,小球的上升时间小于下落时间,更小于没有空气阻力时的上升或下落时间;在相同的初速度下,同质实心较大球的运动受空气阻力的影响要小一些;而当初速相同,密度与半径的乘积也相同时,材质、大小均不同的实心球却具有相同的上抛运动。文章还以1cm半径的实心小铁球为例,计算并作出各运动特征参量随初速度的变化曲线,以及在数个不同的初速度下小球的位移随时间的变化曲线。结果发现,初速度越大,小球的运动越偏离理想的无空气阻力情形。文末对一些可能的干扰或误差因素进行了简要的概述。
关键词(KeyWords): 实心小球;非高速竖直上抛运动;空气阻力系数;雷诺数;运动学方程
基金项目(Foundation): 江苏省教育科学“十三五”规划课题(D/2020/01/55)
作者(Author): 邵云
参考文献(References):
- [1] 朱照宣.理论力学(上)[M].北京:北京大学出版社,1982:258,348.
- [2] 周衍柏.理论力学教程[M].3版.北京:高等教育出版社,2009:79.
- [3] 张汉壮,王文全.力学[M].3版.北京:高等教育出版社,2015:62.
- [4] 肖士珣.理论力学简明教程[M].2版.北京:高等教育出版社,1983:41-43.
- [5] 陈泽君,程敏熙.基于tracker和python的物理建模方法——以研究抛体运动的阻力变化为例[J].大学物理实验,2015,28(3):84-87.CHEN Z J,CHENG M X.The physical modeling method basing tracker and python software——Researching the changing of resistance in projectile motion[J].Physical Experiment of College,2015,28(3):84-87.(in Chinese)
- [6] 刘正安.有阻力竖直上抛的运动时间分析[J].物理教师,2012,33(12):23-24.LIU Z A.Analysis of time of vertical upward throwing motion with resistance[J].Physics Teacher,2012,33(12):23-24.(in Chinese)
- [7] 郝成红.考虑空气阻力的抛体射程[J].大学物理,2008,27(12):21-22.HAO C H.The range of projectile with air friction[J].College Physics,2008,27(12):21-22.(in Chinese)
- [8] 王平,韩振兴,朱墨娴,等,译.流体力学大全[M].北京:北京航空航天大学出版社,1991:229.
- [9] 易小爱,凌晓菲,张振美,等.空气阻力与速度平方成正比的抛体运动研究[J].大学物理实验,2020,33(3):57-60.YI X A,LING X F,ZHANG Z M,et al.Research on projectile motion with air resistance proportional to the square of velocity[J].Physical Experiment of College,2020,33(3):57-60.(in Chinese)
- [10] 郭雪鹏.考虑空气阻力与速度平方成正比的斜抛运动[J].物理通报,2017(6):63-66.GUO X P.The oblique projectile motion considering the air resistance being proportional to the velocity square[J].Physics Bulletin,2017(6):63-66.(in Chinese)
- [11] 邵云.单摆周期的系统误差分析[J].大学物理,2022,41(1):32-38.SHAO Y.Systematic error analysis of period of simple pendulum[J].College Physics,2022,41(1):32-38.(in Chinese)
- [12] 漆安慎,杜婵英.普通物理学教程·力学[M].3版.北京:高等教育出版社,2012:402.
- [13] 严艺,张夏.乒乓球运动中弧圈球的定量探究及其应用[J].力学与实践,2011,33(2):75-79.YAN Y,ZHANG X.The quantitative study of the loop arc of table tennis ball and its application[J].Mechanics in Engineering,2011,33(2):75-79.(in Chinese)