物理学

放物運動計算機

到達距離、最高到達点、滞空時間、衝突速度と角度、完全なSVG軌跡付き。

01入力
m/s
m
m/s²
地球 ≈ 9.81 · 月 ≈ 1.62 · 火星 ≈ 3.71 · 木星 ≈ 24.79
02結果
水平到達距離
最高到達高度
滞空時間
衝撃速度
衝撃角度
放物線軌道

真空モデル:空気抵抗、マグナス効果、コリオリの力を無視します。平地では45°で範囲が最大化されます。初期高さがゼロでない場合、最適な角度は45°未満になります。

03仕組み

この計算を行う理由

放物運動は、すべての初級物理学コースにおける二次元運動学の典型的な導入です。空気抵抗を無視し、一様な重力場へ斜め方向に打ち出された物体を扱います。数式はエレガントで、軌跡は放物線を描き、水平到達距離は平坦な地面で45°で最大化され、滞空時間は純粋に幾何学的です。物理学の授業を超えて、同じ方程式が噴水設計、バスケットボールのシュートのバイオメカニクス、弾道学、花火の打ち上げ計画、そして投げられたフリスビーの軌跡の基礎となっています。この計算機は、完全な問題(到達距離、最高到達点、滞空時間、衝突速度、衝突角度)を解き、80点解像度で放物線軌跡を描画し、最高点と衝突点のマーカーを表示し、任意の打ち上げ高さをサポートします。これは、ボールが地面レベルから始まらない崖からの投擲やバスケットボールのシュートのモデル化に役立ちます。

公式

初速度は水平および垂直成分に分解されます:vₓ = v₀ · cos θ; vᵧ = v₀ · sin θ。

最高到達点までの時間 = vᵧ / g (垂直速度は重力下で線形に減衰します)。

打ち上げ高からの最高到達点 = vᵧ² / (2 · g)。打ち上げ高さh₀の場合:peak_total = h₀ + vᵧ² / (2g)。

滞空時間(物体がy = 0に着地するまで):h₀ + vᵧ · t − ½ · g · t² = 0 を解きます:

t_flight = (vᵧ + √(vᵧ² + 2 · g · h₀)) / g

到達距離 = vₓ · t_flight。

衝突速度成分:vᵢₓ = vₓ (真空中で水平方向の空気抵抗なし);vᵢᵧ = vᵧ − g · t_flight。

衝突速度 = √(vᵢₓ² + vᵢᵧ²)。

水平以下の衝突角度 = atan(|vᵢᵧ| / vᵢₓ)。

グラフはy(t) = h₀ + vᵧ · t − ½ · g · t² を使用して80点で軌跡をサンプリングし、放物線を赤でプロットし、最高点(アーチの上部)と衝突点(右端)をマークします。Y軸のパディングは、視覚的な明瞭さのために、最高点の上に10%、衝突点の右に5%を追加します。

使用方法

初速度をm/sで入力します(投げられた物体では典型的には10〜50、発射された弾道では200以上)。打ち上げ角度を水平からの角度(度)で入力します(0 = 純粋な水平、90 = 真上)。打ち上げ高さを地面からのメートル単位で入力します(地面レベルの打ち上げでは0)。重力(地球上ではデフォルト9.81 m/s²、月では1.62、火星では3.71を使用)を入力します。結果パネルには、到達距離、最高到達点、滞空時間、最高到達点までの時間、衝突速度、衝突角度、および軌跡曲線が表示されます。

計算例

地球上で、初速度25 m/s、角度45°、打ち上げ高さ1.5 mの野球ボール:

  • vₓ = 25 cos 45° = 17.68 m/s。vᵧ = 17.68 m/s。
  • 最高到達点までの時間:17.68 / 9.81 = 1.80 s。
  • 打ち上げ高さからの最高到達点:17.68² / (2 · 9.81) = 15.94 m。総最高到達点:17.44 m。
  • 滞空時間:(17.68 + √(17.68² + 2 · 9.81 · 1.5)) / 9.81 = (17.68 + 18.50) / 9.81 = 3.69 s
  • 到達距離:17.68 × 3.69 = 65.2 m
  • 衝突時のvᵢᵧ:17.68 − 9.81 × 3.69 = −18.51 m/s。
  • 衝突速度:√(17.68² + 18.51²) = 25.6 m/s (打ち上げ速度よりわずかに速い、打ち上げ高さのため)。
  • 衝突角度:atan(18.51 / 17.68) = 46.3° (打ち上げ角度よりわずかに急)。

水流の噴射、初速度8 m/s、角度70°:

  • vₓ = 2.74 m/s。vᵧ = 7.52 m/s。
  • 打ち上げ高さからの最高到達点:2.88 m。滞空時間:1.53 s。到達距離:4.20 m。

バスケットボールのシュート、高さ2.0 m、初速度8 m/s、角度50°: - vₓ = 5.14 m/s。vᵧ = 6.13 m/s。滞空時間:1.54 s。到達距離:7.94 m。

陥りやすい間違い

空気抵抗は30 m/sを超えると重要になります。真空モデルは、50 m/sで到達距離を5%、200 m/sで30%、800 m/sで10倍過大評価します。実際の弾道計算には空気抵抗モデルが必要です。

。横風は衝突点を水平に移動させます;向かい風または追い風は到達距離を短くしたり長くしたりします。モデル化されていません。

スピンとマグナス効果。回転する野球ボールはマグナス力によりカーブします;トップスピンのテニスボールはフラットなボールより速く落ちます。モデル化されていません。

長距離でのコリオリ力。地球の自転は、約1 kmの到達距離を超えると、弾道に測定可能な偏向を与えます。スポーツでは無視できるが、砲撃では重要です。

打ち上げ高さは最適角度に影響します。45°の規則は、地面レベルからの打ち上げを前提としています。h₀ > 0の場合、最大到達距離の最適角度は45°未満になります(おおよそ45° − arctan(h₀ / range_estimate) / 2)。計算機では両方を入力でき、角度をスイープして最適値を見つけることができます。

重力の変動。gは赤道と極の間で0.5%変化し、高度によっても変化します。日常的な問題では、g = 9.81で十分です。

空力形状への依存。ジャベリンと砲丸では、空気抵抗と揚力のために挙動が大きく異なります。計算機はすべての弾道体を「空気抵抗なしの球体」として扱います。

地球の曲率。約30 kmを超える到達距離では、地球が物体の下で湾曲するため、有効到達距離が長くなります。スポーツのスケールでは無視できます。

角度の規約。計算機は水平からの角度(度)を使用します。一部の教科書では、垂直からの角度(天頂角)を使用します。必要に応じて変換してください。

負の打ち上げ高さ。計算機はh₀ ≥ 0(地面より上)をサポートします。地面より下への打ち上げ(穴に落ちる投げられたボール)では、公式を拡張する必要があります。

衝突時のエネルギー。衝突運動エネルギー = ½ · m · v_impact² — 着地ダメージのサイジングに役立ちます。計算機はエネルギーを計算しません(質量が入力されていないため)。

バリエーション

  • 空気抵抗補正付き弾道: 二次空気抵抗による数値積分。
  • 最大到達距離最適化: 指定された打ち上げ高さでの最適角度を見つけるために角度をスイープ。
  • 二体弾道: ボールが跳ねて続行 — 復元係数で計算機を拡張。
  • 垂直打ち上げ(ロケット): 角度=90°、到達距離は最大高度になります。
  • 振り子-弾道コンボ: 振り子の終端状態からの初期条件を持つ、振ってから放出された弾道。

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