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在日常生活中我们观察到,当篮球和羽毛球从同一高度同时释放时,篮球总是比羽毛球先落地。篮球几乎直线快速下降,而羽毛球则缓慢飘摆。这个现象背后的物理原理是什么呢?
首先我们来分析重力。根据重力公式F等于mg,篮球质量约0.6千克,羽毛球质量约0.005千克。计算得出篮球重力约5.9牛顿,羽毛球重力约0.05牛顿。虽然篮球重力确实更大,但这个差异无法解释为什么下落时间相差如此巨大。显然还有其他力在起作用。
答案是空气阻力。空气阻力公式为F_d等于二分之一乘以空气密度ρ、阻力系数C_d、迎风面积A和速度的平方。羽毛球由于其独特的形状和较大的迎风面积,阻力系数远大于篮球。当速度增大时,阻力按速度的平方增长,这使得羽毛球受到的空气阻力远远大于篮球。
根据牛顿第二定律,合力等于重力减去空气阻力。对于篮球,重力大而阻力小,所以合力大,加速度大且基本保持恒定。对于羽毛球,重力小而阻力大,合力迅速减小趋于零,加速度也快速衰减到接近零。这就解释了为什么篮球持续加速下落,而羽毛球很快就匀速飘落。
当物体达到终端速度时,重力与空气阻力平衡。根据终端速度公式,篮球的终端速度约为20米每秒,而羽毛球仅约6米每秒。如果在真空环境中,没有空气阻力,两个物体会以相同的加速度下落,同时落地。这证明了篮球比羽毛球下落快的根本原因是空气阻力,而不是重力差异。