如果把1噸鐵球扔到海裡,它的下沉速度會一直加速還是會變勻速?

2020-12-15 火星科普

如果把重達1噸的實心鐵球扔到海裡,由於鐵的密度遠大於水,所以在重力的作用下,鐵球會一直下沉。那麼,鐵球的下沉速度會變得越來越快嗎?

簡單來說,如果海洋深度較淺,鐵球的下沉速度會在一直增加。但如果海洋深度較深,鐵球的下沉速度增加到某一速度之後就不再變化,它將會勻速下沉。關於鐵球的下沉,可以對它進行簡單的受力分析。

海水的鹽度與溫度會影響海水的密度,鹽度越高,溫度越低,海水的密度也越高。另外,隨著海洋深度的增加,水壓也會增加,這也會讓海水的密度增加。不過,這些因素對海水密度的影響十分有限。為便於計算,這裡假設海水的密度保持不變,取值為1030千克/立方米。

在鐵球下落過程中,會有三個力作用在它身上,除了重力和浮力之外,海水還會對鐵球產生一個阻力:

(1)重力:G=mg。由於海洋深度與地球半徑相比非常小,所以可以假設鐵球在下沉過程中,重力加速度g保持不變,這意味著鐵球的重力也是恆定的。

(2)浮力:Fb=ρgV。其中ρ表示海水的密度,V表示鐵球的體積。

由於鐵球的體積:V=4/3πr^3

所以鐵球所受的浮力:Fb=4/3πr^3ρg

(3)阻力:Ff=1/2ρv^2ACd。其中v表示鐵球的速度,A為鐵球的投影面積(A=πr^2),Cd為阻力係數(球體取值一般為0.47)。

鐵球所受的合力為:F合=G-Fb-Ff

在這三個力中,重力和浮力基本保持不變,而阻力會隨著速度平方的增加而迅速增大。當鐵球的速度增加到某一速度時,阻力會大到使得鐵球所受的合力為零。在這種情況下,鐵球的速度不再增加,阻力也不再增加,所以鐵球的合力始終保持為零,它將會勻速下沉,這個速度被稱為終端速度(vt),具體公式如下所示:

如果鐵球是均勻的,它的密度為7800千克/立方米,那麼,重1噸鐵球的半徑約為0.3128米。由此,可以計算出小球的終端速度約為10.7米/秒。

那麼,鐵球需要多長時間,並且下落多長距離才會到達終端速度呢?

由於這個問題涉及到變速運動,合力一直在變,加速度也一直在變,所以需要通過微積分來計算時間和下落距離。

F合=ma=mdv/dt=mg-4/3πr^3ρg-1/2ρπr^2Cdv^2=e-fv^2

其中e=mg-4/3πr^3ρg,f=1/2ρπr^2Cd,v<vt。

分離變量,並對等式兩邊分別進行積分可得:

假設鐵球的初速度為0,所以當v=0時,t=0,可以算出C=0。因此,時間t和速度v的關係式如下:

當鐵球速度達到終末速度之時,鐵球的下落時間約為23.6秒。另外,還可以算出,對應鐵球的下沉距離為243米。

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