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抛体运动

把球斜向上抛出后,若在飞行中忽略空气阻力,球只受重力。取抛出点为原点、水平向右为 x 正向、竖直向上为 y 正向。重力只使竖直速度改变,因此水平和竖直方向可用同一个时间 t 分别计算,再合成为一条轨迹;这就是抛体运动的基本模型。

两个方向共用同一时钟

初速度大小为 v0,与水平方向夹角为 θ。初速度分量是 v0x=v0cos⁡θ、v0y=v0sin⁡θ。由于 ax=0、ay=−g,逐方向使用匀变速直线运动的公式,得到 x(t)=v0cos⁡θt,y(t)=v0sin⁡θt−12gt2. 把第一式解为 t=x/(v0cos⁡θ) 并代入第二式(要求 cos⁡θ≠0),可把轨迹直接写成 y=xtan⁡θ−gx22v02cos2θ. 二次项的系数为负,因此轨迹向下弯。速度却沿切线:vx=v0cos⁡θ 始终不变,vy=v0sin⁡θ−gt 到最高点才变为零;最高点的总速度并不为零。

斜抛轨迹从原点升到五米高的顶点再回到同一高度;虚线显示顶点的水平位置,顶点处速度水平、加速度向下
同一时刻的水平位移和竖直位移组成轨迹点;顶点处只有竖直速度为零。

同高度落地的完整算例

取 v0=20m/s、θ=30∘,为便于心算取 g=10m/s2。竖直初速度为 10m/s,水平速度为 103m/s。最高点满足 vy=10−10t=0,故 t=1s、最大高度 y=10(1)−5(1)2=5m。回到抛出高度时,由 0=10t−5t2 除去 t=0 的出发时刻,飞行时间为 2s;射程是 x=103×2=203m≈34.6m。

若落点高于或低于起点,就不能直接套同高度的飞行时间和射程公式,应先在 y(t) 中代入实际落点高度、选取正的时间根,再计算 x(t)。空气阻力明显时,ax 不再为零,轨迹也不再严格是上述抛物线。

参考资料