雲層是由很多小水滴所組成的,這是大家都清楚的事。
可是 水滴的密度大於空氣,為什麼雲層不會往下落呢?
以下這個動畫 讓我們一起探討 類似這樣的問題:
當物體在空氣中 受到重力影響而加速後,由於 空氣的阻力 會使得加速度漸減。
通常 空氣阻力 Fr = k ρA V2 ,
(其中 k 為常數,ρo為空氣密度,A為物體截面積,V 為物體的速度)
物體所受 外力 = 重力 + 阻力
當 物體靜止時,速度為零。因此所受阻力為零。
重力使得物體加速,於是速度增加,阻力也逐漸增加。
因此 物體所受向下的加速度會逐漸減少。
當 空氣阻力增加到 與 重力 逐漸相等時,物體所受合力逐漸趨近於零。
(數學上不可能相等,但 物理上 當其差值小於實驗所能區分的差別時便算相等)
於是 物體 以等速度 落下。此時的速度稱為 終端速度。
以下程式中 探討 物體不同的大小尺度 對 終端速度的影響。
對於 實心球體而言:截面積 A = π r2 ,質量 m = ρ(4/3) π r3
於是 合力 F = m a = m g - k ρA V2
a = g - k ρA V2 / m
因此 阻力所減少的 重力加速度 與 半徑成反比。
使用說明:
本動畫中唯一讓你能改變的是 空氣阻力的比例常數。
按 開始 後 觀察每個不同大小 球體的運動情形。
當顏色是 紅色時,表示仍然有相當的加速度。
當速度趨近於終端速度時(加速度小於某值)顏色改為藍色。
其半徑與速度大小標示於 正上方。
觀察 終端速度 與 半徑大小 之間的關係。你發現了其中的關係嗎?
物理解說:
由 以上觀察可以知道 半徑越小的物體 終端速度越小。(函數關係如何呢?)
由於 雲層裡的水滴都是半徑很小的。 因此 終端速度很小。
幾乎瞬間就達到很微小的終端速度,於是雲層的運動受到重力的影響很小。
反而 氣流(風)等其他因素影響雲層主要的運動行為。
從高空跳傘的人,在未張開降落傘前,也只有在最初十秒鐘左右處於加速狀態。
終端速度約 60 m/s。(打開降落傘後,約 5-7 m/s)
落下的雨滴大小(直徑)約 數釐米 左右,其終端速度約 2-8 m/s。
(達到 終端速度時間 僅需不到 1 秒鐘的時間,你想我是如何估算的呢?)
若 白色的雲層裡的水滴大小約 10-5 m,(遠大於可見光的波長)
則你估算其終端速度約多少呢?需要多少時間達到終端速度呢?
以那樣的速度從高空落下至地面需要多少的時間呢?
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作者:國立台灣師範大學 物理系 黃福坤
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