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棒球场上的物理学五–空气阻力下的棒球飞行-真理大学
棒球場上的物理學(五) –空氣阻力下的棒球飛行 李中傑 真理大學通識教育中心 助理教授 2011.11.07 摘要 本單元中,我們將僅考慮空氣阻力對棒球飛行的影響。由於空氣阻力與棒球飛行的 速度永遠相反 ,因此在不考慮棒球自旋運動下 ,此棒球的運動可視為一個物體於二維的 運動問題。其運動方程式雖然容易獲得 ,但對棒球來說 ,其方程式中的阻力係數大小的 不確定 ,卻造成了理解棒球飛行軌跡的困難度。而在此單元的前半段 ,我們將避開此困 難 ,視阻力係數為一定值 ,並以數值分析的方法去理解棒球場上會出現的一些飛行軌 跡。接下來 ,對上述同樣的飛行問題 ,我們將介紹一個常被忽略的解析解 ,並指出此解 析解所給出的優點。最後則回到與阻力係數相關的問題 ,例如 「阻力危機」對棒球比賽 的可能影響 。 關鍵詞 :棒球飛行軌跡 、空氣阻力、雷諾數 、阻力係數 、阻力危機 。 在前一單元 ,我們已看見空氣阻力對棒球飛行有相當程度的影響。因此若要貼切描 述棒球的飛行軌跡,特別是當棒球飛行距離較遠時,空氣阻力是不可忽略不計的。除此 之外 ,我們還知道棒球的自旋運動會產生一個馬格納斯力 ,使投手能夠投出一個貨真價 實的變化球。但在棒球的飛行中 ,無論是理論上或是技術上 ,我們還是有辦法儘量地避 開這棒球本身的自旋。也就是說,自旋在棒球的飛行中是一個外加的起始條件。其地位 不像空氣阻力一般 ,只要我們在地表上打球 ,空氣阻力就必然存在。因此為單純化我們 的問題 ,於本單元的探討中我們均限定在無自旋的棒球上 ,端看空氣阻力對棒球飛行的 影響 。有此限定後,接下來我們就從棒球最單純的運動–自由落體談起。 壹、自由落下的棒球 無疑地,自由落體在物理的發展史上佔有關鍵性的地位。這看似不起眼的運動–單 純地讓物體由高處垂直落下,卻被伽利略(Galileo Galilei ,1564– 1642)拿來作為顛覆亞里 棒球場上的物理學(五) 空氣阻力下的棒球飛行 1 斯多德(Aristotle ,B.C.384–322)流傳千年物理觀的利器。當今我們也常拿自由落體的實 驗觀察 ,來做為彰顯自然科學的實驗精神。但說來諷刺,在前章中我們已指出物體在地 表附近的運動,其所受到的空氣阻力並非小到可讓我們安心地將其忽略不計。然而在伽 利略的眼中,他卻可跳過空氣阻力的干擾而直視物體運動的核心議題。這成就絕非可由 已被神化的斜塔實驗所單獨達成。事實上 ,也有越來越越多的史料證實,伽利略不曾爬 到此薩斜塔的上方做這自由落體實驗。 棒球規則 1.09 球是軟木、橡膠或類似材料為蕊。捲以絲線,並由兩片白色 馬皮或牛皮緊緊包紮縫合。其重量不得少於 5 盎斯或重於 5.25 盎斯(141.8 –148.8 公克) ,周圍不得少於9 吋或大於9.25 吋(22.9 –23.5 公分) 。 m 145g 23.2cm 註:本文之計算數據統一採用–棒球質量 ;周圍長 。 關於自由落下的棒球,首先我們要對此不甚嚴謹的習慣用語 「自由」稍作說明。在 物理學中 ,自由物體是指物體沒有受到任何的外力作用。然而 ,當我們將物體舉起後, 再放手讓物體自然落下,此物體之所以會落下是因為它持續受到一個向下的重力作用。 雖然物體有受到力的作用,但歷史上的習慣 ,已讓我們稱此運動為 「自由落體」。現在 我們更進一步地想把空氣阻力的影響也加入考慮。於是此處我們所要討論的「自由落下 的棒球」是指棒球於高處由靜止開始落下的現象 ,過程中棒球除了受到重力外 ,還有空 氣阻力的作用 。由於在整個下落過程中 ,棒球的水平速度為零( vx 0 ) ,因此這棒球的 ˆ
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