Tracker自由落體

出自 全民科學平台
於 2019年11月21日 (四) 03:45 由 張又懿 (對話 | 貢獻) 所做的修訂 (原理)
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目的

原理

地球表面的重力加速度

g的單位是加速度的单位,而不是力的單位。在地球表面附近,一質點的自由落體加速度g與它的重力加速度a稍微不同,一個質點的重量mg與它所受的重力(地球万有引力)也不同,原因是地球會自轉。若考慮地球自轉,則:

(測量到的重量mg)=(重力的大小ma)-(質量m×向心加速度w²R)

可以得到:

(自由落體加速度g)=(重力加速度a)-(向心加速度w²R)

注意以上式子中的减法为矢量相减。自由落體加速度實際上是小於重力加速度的,方向也略有区别,在赤道上則相差最多,但由於地球的半徑與自轉週期的關係,兩者大約只相差0.034m/s²,因此在日常使用的計算上,重量重力之間的差異通常可以忽略,但若做為精密飛行器的計算,則需要考慮進去。

地表附近的所有物體下降的加速度都介於9.78和9.83m/s²之間,差別是取決於緯度等因素(赤道最少,南北極最大),標準重力加速度是9.80665 m/s²(為方便計算,一般使用9.81 m/s²、9.8 m/s²或10 m/s²)。

近似公式

根据地球参考椭球,可以导出在地理纬度[math]\varphi[/math] 海拔高度[math]h[/math]的重力加速度近似值: <ref>惯性导航原理,陈永冰等,国防工业出版社. ISBN 978-7-118-05399-9. P20</ref>

[math]g\ \approx\ g_0\ (1 + 0.0052884 \sin^2\varphi - 0.0000059 \sin^{2}2\varphi) - 0.000003086h[/math]

:原书[math]\sin^2[/math][math]\sin[/math],疑为笔误)


其中[math]g_0 \approx 9.78046\ m/s^2[/math]为赤道海平面上的重力加速度。

有的书会给出稍微不同的表达式: <ref>捷联惯性导航技术(第二版),张天光等译,国防工业出版社。ISBN 978-7-118-05336-4. P39</ref><ref>STEILER, B., and WINTER, H.:'AGARD flight test instrumentation volume 15 on gyroscopic instruments and their application to flight testing'. AGARD-AG-160-VOL. 15, September 1982</ref>

[math] g(h=0)\ \approx\ 9.780318\ (1 + 5.3024\!\times\!10^{-3} \sin^2 \varphi - 5.9\!\times\!10^{-6} \sin^2 2\varphi)\quad m/s^2 [/math]
[math]\frac{\mathrm{d} g(h=0)}{\mathrm{d} h}\ \approx\ -3.0877\!\times\!10^{-6}\ (1 - 1.39\!\times\!10^{-3} \sin^2 \varphi)\quad m/s^2/m [/math]

其中[math]h=0[/math]表示在海平面上。对重力精度要求不高时,可以采用下式计算不同高度的重力:

[math]g(h)=g(h=0)/(1+h/R_0)^2[/math]

其中[math]R_0 \approx 6371\ km[/math]是地球的平均半径。

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