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熱學/流體 標題:冰雹的形成
1:黃福坤(研究所)張貼:2013-04-10 16:41:34:
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冰雹的形成:當有強烈的上昇氣流(旺盛的對流雲)時,

雲層裡的水氣被強烈的上昇氣流快速舉升到高空,

隨著高度的增加,氣溫會逐漸降低。

因為氣流上昇時(的絕熱膨脹過程使得)溫度下降,

每升高100公尺氣溫約降低 0.67℃。

使得水氣(小水滴)因為氣溫驟降而凝結成『冰』(非常小的冰球)。

當冰雹體積/重量 逐漸增加(重力增加,速度漸緩)

到上昇氣流無法支撐時,就會開始下降。

降落過程中(溫度漸增)雖有部份冰雹會融化,

但是更多水氣再被氣流舉昇,凝結成冰,形成更大的冰雹。

而當上昇氣流又無法支撐時,又再落下,如此重複循環。

當冰雹在 強烈上昇氣流中上下往返多次運動時,

體積就像滾元宵般越滾越大!

當最後上昇氣流已經完全無法再支撐時,便又落下。

冰雹雖由於重力而落下,但是氣流會對其產生阻力,

一般空氣阻力與 速度 v 的平方及物體的截面積 $A=πr^2$ 成正比。

空氣阻力 Fr = 常數 *空氣密度* $πr^2 *v^2$

重力 Fg = 冰雹密度* $\frac{4}{3} *πr^3 * g$

最後 當阻力等於重力時,也就是合力為零,以等速度落下(稱終端速度)。

因此 終端速度的平方 會隨著 冰雹重量而增加(越大的冰雹速度越大)。

當冰雹半徑變為 4倍時,體積增加為幾倍呢?重量增加為幾倍呢?

截面積增加幾倍呢? 因此 速度增加幾倍呢?

最常見的冰雹大小以直徑半吋(1.27公分)居多,最大也可達數吋。

估算一下終端速度:

空氣密度 約 $1.293 ×10^{-3} g/cm^3$ , 直徑 2.5公分

取常數 = 1 , 可得 v = 11 m/s (以 45°拋出,可拋 13公尺遠)

比直徑 0.1公分的雨滴,速度大 5 倍。

但是雨滴接觸到 地面時(與地面碰撞),作用時間較長。

但冰雹則作用時間短 ,因此 作用力 又增大許多。

民國 87年 二月 18日 清晨, 嘉義 新港 飼養 五千餘頭大鵝的 蔡先生,

欣賞冰雹情景後發現,150隻 重約 8 公斤的鵝 被冰雹擊斃。(好可怕!)

以上嘗試模擬冰雹的形成

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以上動畫原始英文網頁

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