為什麼是平方?從功能定理推導
靜止物體被定力 F 加速行進距離 d,作功 W = Fd。 牛頓第二定律 F = ma,等加速直線運動 v² = 2ad,所以 d = v²/(2a)。 代入:W = ma × v²/(2a) = ½mv²。 動能就是「把物體從靜止加速到速度 v 所需的功」 —— 等號右邊的 ½ 不是補丁,是積分自然產生的。
數學上:F = m·dv/dt,W = ∫F dx = ∫m·v dv(換變數 dx = v dt)= ½mv²。 這條公式是「功能定理」的最簡形式,能量守恆所有形式都從它衍生。
實例:車禍能量比較
| 速度 | v² 因子 | 動能(1500kg 車) |
|---|---|---|
| 30 km/h(8.3 m/s) | 69 | 52 kJ |
| 60 km/h(16.7 m/s) | 278 | 208 kJ(4×) |
| 90 km/h(25 m/s) | 625 | 469 kJ(9×) |
| 120 km/h(33.3 m/s) | 1111 | 833 kJ(16×) |
超速 100%(60 變 120),動能變 16/4 = 4 倍,撞擊能量、煞車距離、致死率都跟著放大。 這就是道路速限不是「超一點點沒關係」的物理理由 —— 速度只翻倍,要消耗的能量翻 4 倍。
實例 2:高處摔落 vs 平地撞擊
從 1 公尺高度自由落下,落地速度 v = √(2gh) ≈ 4.4 m/s。 動能 ½ × 70 × 4.4² ≈ 678 J。 這個能量等於什麼?大約是時速 12.3 km/h 撞牆的能量。 所以從 1 公尺高摔下對 70 kg 成人不算嚴重 —— 但從 5 公尺高(v ≈ 9.9 m/s),動能放大 5 倍,相當於時速 35 km/h 直接撞地。 這就是工安規定為什麼把 1.8 公尺視為「墜落高風險」分水嶺。
動能與動量混淆:動量 p = mv(線性)、動能 Ek = ½mv²(平方)。 兩物體相同動量時動能不一定相同:小質量高速 vs 大質量低速。 子彈質量小(5 g)但速度高(800 m/s),動量 = 4 kg·m/s,動能 = 1600 J(殺傷力來源); 搬磚工抱 80 kg 慢走 0.05 m/s,動量也是 4,但動能只有 0.1 J。 動量決定撞擊後對方獲得多少 momentum,動能決定能造成多少形變、產熱、破壞。
動手算算看
下面是 ∑ Calc 動能計算機。試騎機車的動能 vs 走路。