抛体运动是水平匀速与竖直匀加速的叠加
让两个球从同样的高度同时出发。一个直接放下,一个向旁边抛出。拖动时间,会看到惊人的一幕:横着飞出去的球,和直接放下的球经过完全相同的高度,并在同一时刻落地。无论你水平抛得多快,下落的量都一样。秘诀就在这里:抛体运动其实是两种各自独立的运动叠加而成。水平方向没有力,所以匀速;竖直方向只受重力,所以匀加速。两个方向互不干涉、彼此独立,所以你只要对每个方向照搬之前学过的公式,最后合起来就行。一个看似是曲线的复杂运动,原来不过是两条直线的组合。
拖动时间 t,让两个球同时运动。左边的球是直接放下的,右边的球是从同样高度水平抛出的。虚线把两球的高度连起来,每一时刻两球的高度都完全相等。无论抛出的球飞多远,它下落的量都和单纯放下的球一样,所以两球同时落地。这说明水平运动完全不干涉竖直下落。重力不在乎你横向多快,它只往下拉。这个独立性,正是求解抛体运动的钥匙。
现在只取水平方向。水平上没有推球的力,也没有阻力(忽略空气阻力)。没有力,加速度就是 0,所以水平速度自始至终都不变,是匀速运动。拖动 vx 滑块,按相等时间间隔打下的标记总是等距排列。抛得快间距就宽,抛得慢就窄,但无论哪种情况间距都是均匀的。所以水平位置就是 x = vx·t,与时间成正比,是最简单的运动。抛物线的横轴,就这样始终以同样的速度流逝。
这次只看竖直方向。有一个向上的初速度,但重力一直向下拉,所以竖直方向正是上一讲的匀加速运动,加速度始终是 -g。拖动时间 t,球先上升、逐渐变慢,在顶端停一瞬,又落下来,上升和下落像镜子一样对称。高度是 y = vy·t - ½g t²,恰好就是匀加速公式。顶端是竖直速度变为 0 的那一刻,在那里达到最高点。不管水平方向,只看上下,就跟把球直直往上抛完全一样。
现在把两种运动合起来。每一时刻水平位置以 x = vx·t 匀速向右推进,竖直位置以 y = vy·t - ½g t² 升起又落下。拖动时间 t 来看:横向以均匀的步子前进,纵向画出一道弧,两者合成的点沿着一条光滑曲线飞行。这条曲线就是抛物线。下方灰色刻度显示水平进度,旁边灰色刻度显示竖直高度,球的位置永远是这两个影子相遇的地方。看起来是曲线,但这里没有任何新东西:不过是水平匀速和竖直匀加速,把分别学过的两种运动用同一个时钟同时运行罢了。
最后改变抛出的角度。保持发射速度不变,只用滑块转动角度,即便用同样的力气,飞多远、飞多高也会大不一样。角度调高就升得更高却飞不远,调低就贴着地面飞、同样飞不远。射程最长正好在中间,45 度。还有一个有趣的对称:像 30 度和 60 度这样,离 45 度同样远的两个角度,射程相同。一个飞得高而从容,一个飞得低而快罢了。最大高度随角度变陡而不断增大,在竖直向上的 90 度处最高。射程由 R = v0² sin2θg 决定。