动力学:速成包

公式表、每个专题的关键方法步骤和 20 道练习题,完整解答附在最后。

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1公式与方法

运动学

速度
v = v0 + a·t
位移
s = v0·t + ½·a·t²
不含时间
v² = v0² + 2·a·s
单位
1 m/s = 3.6 km/h

方法

  1. 列出已知量:v₀、v、a、t 和 s,并带上单位。
  2. 选取包含三个已知量和该未知量的公式。
  3. 选定一个正方向,相反方向的量取负号。
  4. 求解并检查答案在物理上是否合理。

牛顿定律

第二定律
ΣF = m·a
重力
W = m·g
动摩擦
Ff = μ·N
斜面上
沿斜面:m·g·sin θ, 垂直斜面:m·g·cos θ

方法

  1. 画出物体所受全部力的受力图。
  2. 沿运动方向选定正方向。
  3. 把力分解为沿运动方向和垂直于运动方向的分量(斜面上:沿斜面 m·g·sin θ,垂直压向斜面 m·g·cos θ)。
  4. 沿运动方向应用 ΣF = m·a;摩擦力为 μ·N,方向与运动相反。

抛体运动

分量
vx = v0cos θ, vy = v0sin θ
位置
x = vxt, y = h + vyt − ½gt²
最大高度
H = h + vy²/(2g)
射程(水平地面)
R = v0²·sin 2θ/g

方法

  1. 把初速度分解为分量:vx = v₀·cos θ,vy = v₀·sin θ。
  2. 水平方向为匀速运动;竖直方向的加速度为 −g。
  3. 由竖直方向的运动求飞行时间。
  4. 把该时间代入水平运动求射程。

圆周运动

向心加速度
a = v²/r = ω²·r
向心力
F = m·v²/r
角速度
ω = v/r = 2π/T
水平弯道,摩擦
vmax = √(μ·g·r)

功和能

动能
Ek = ½mv²
势能
Ep = mgh
能量衡算
Ek1 + Ep1 + W = Ek2 + Ep2 + losses
摩擦力做功
W = μ·N·d
功率
P = W/t

动量与碰撞

动量
p = m·v
守恒
Σm·v (before) = Σm·v (after)
完全非弹性
v′ = (m1v1 + m2v2)/(m1 + m2)
冲量
J = F·Δt = m·Δv

方法

  1. 选定正方向,并给每个速度标上符号。
  2. 写出碰撞前的总动量:Σm·v。
  3. 完全非弹性碰撞后物体一起运动;弹性碰撞中动能也守恒。
  4. 令碰撞前动量等于碰撞后动量并求解。

刚体转动

对质心 G 的转动惯量
杆 mL²/12,圆盘 ½mR²,圆环 mR²,实心球 (2/5)mR²,空心球 (2/3)mR²
平行移轴定理
I = IG + m·d²
回转半径
I = m·k²
杆绕端点
I = mL²/3
运动方程
ΣM = I·α
以 rad/s 表示的转速
ω = 2π·n/60
动能
E = ½·I·ω²
功和功率
W = T·θ, P = T·ω
无滑动滚动
v = ω·r, E = ½mv²(1 + I/(mr²)), a = g·sin θ/(1 + I/(mr²))
角动量
L = I·ω, I1ω1 = I2ω2
绕枢轴的撞击
m·v·d = I·ω

方法

  1. 选择轴:固定的枢轴,或者对滚动的物体选质心。
  2. 用标准结果求出对该轴的转动惯量,转轴平移时用 I = IG + m·d²。
  3. 选择方法:求加速度和力用 ΣM = I·α,求速度用能量(½·I·ω² + ½·m·v² + m·g·h),求撞击和突然变化用角动量。
  4. 用 v = ω·r 和 a = α·r 联系线运动和角运动,并把 rpm 换算成 rad/s。

齿轮与齿轮系

啮合齿轮
n1·N1 = n2·N2
扭矩
T2 = T1·(N2/N1)·η
功率
P = T·ω, ω = 2π·n/60
复合轮系
总传动比 = 各级传动比之积

弹簧与单摆

弹簧振子
T = 2π·√(m/k)
单摆
T = 2π·√(L/g)
角频率
ω = √(k/m) = 2π/T
最大速度和最大加速度
vmax = A·ω, amax = A·ω²
能量
E = ½·k·A²

机械振动

固有频率
ωn = √(k/m), fn = ωn/(2π)
由静挠度求
ωn = √(g/δst)
临界阻尼
cc = 2√(km) = 2mωn
阻尼比
ζ = c/cc
阻尼固有频率
ωd = ωn√(1 − ζ²)
对数衰减率
δ = (1/n)·ln(x0/xn), ζ = δ/√(4π² + δ²)
弹簧并联
k = k1 + k2
弹簧串联
1/k = 1/k1 + 1/k2

2练习题

1.运动学中等
t (s)v (m/s)4.286 s30

一辆以 108 km/h 行驶的汽车以 7 m/s² 的恒定减速度制动,直到停下。 求制动距离 s。

v₀ = 108 km/ha = −7 m/s²v = 0
s = m
2.运动学困难
v₀ = 5 m/s20 m

从离地面 20 m 高的屋顶边缘以 5 m/s 的速度竖直向上抛出一个小球。忽略空气阻力,取 g = 9.81 m/s²。 求小球离地面的最大高度 hmax。

v₀ = 5 m/sh₀ = 20 mg = 9.81 m/s²
hmax = m
3.牛顿定律中等
θ = 20°30 kgF = ?

一个 30 kg 的箱子被一个平行于斜面的力沿与水平方向成 20° 的斜面匀速向上推。动摩擦因数为 0.2。取 g = 9.81 m/s²。求推力 F。

m = 30 kgθ = 20°μ = 0.2g = 9.81 m/s²
F = N
4.牛顿定律困难
m1​ = 2.5 kg1 kgμ = 0.25

水平桌面上一个 2.5 kg 的物块通过跨过光滑滑轮的轻绳与一个悬挂的 1 kg 重物相连。 物块与桌面之间的动摩擦因数为 0.25。 取 g = 9.81 m/s²。 求绳中的张力 T。

m1 = 2.5 kgm2 = 1 kgμ = 0.25g = 9.81 m/s²
T = N
5.抛体运动中等
v0​ = 40 m/s30°射程

一个球 从平地上以高于水平面 30° 的角度抛出。忽略空气阻力。求球落地前的飞行时间 t。

v0 = 40 m/sθ = 30°g = 9.81 m/s²
t = s
6.抛体运动困难
h = 55 mv0​ = 23 m/s50°x = ?

一个球 从 55 m 高的悬崖顶上以高于水平面 50° 的角度抛出。忽略空气阻力。求球落地前飞过的水平距离 x。

v0 = 23 m/sθ = 50°h = 55 mg = 9.81 m/s²
x = m
7.圆周运动中等
r = 50 mvmax​ = ?

一辆汽车通过半径为 50 m 的水平弯道。轮胎与路面之间的静摩擦因数为 0.6。取 g = 9.81 m/s²。求汽车不打滑地通过弯道的最大速度 vmax。

r = 50 mμs = 0.6g = 9.81 m/s²
vmax = m/s
8.圆周运动困难
r = 1.2 mv = ?

一个小球系在长 1.2 m 的绳上,在竖直平面内做圆周运动。取 g = 9.81 m/s²。在最高点处,速度至少为多少 vmin 才能使绳子恰好保持绷紧?

r = 1.2 mg = 9.81 m/s²
vmin = m/s
9.功和能中等
30°d = 18 mμ = 0.35

一个 1 kg 的物块沿倾角 30° 的斜面下滑 18 m,动摩擦因数为 0.35。求克服摩擦做的功 Wf。

m = 1 kgθ = 30°μ = 0.35d = 18 mg = 9.81 m/s²
Wf = J
10.功和能困难
F = 145 N35°μ = 0.1515 kg

一个 15 kg 的物块从 35° 斜坡的底部由静止开始,被一个平行于斜坡、大小为 145 N 的恒力沿斜坡向上拉。动摩擦因数为 0.15。求物块沿斜坡向上移动 9 m 后的速度 v。

m = 15 kgF = 145 Nθ = 35°μ = 0.15d = 9 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
11.动量与碰撞中等
600 kg15 m/s1300 kg

一辆以 15 m/s 行驶的 600 kg 汽车撞上一辆静止的 1300 kg 汽车,两车卡在一起。 原有动能损失了百分之多少 ΔK/K?

m1 = 600 kgv1 = 15 m/sm2 = 1300 kgv2 = 0
ΔK/K = %
12.动量与碰撞困难
8 m/s12 m/s

一个 0.6 kg 的小球以 8 m/s 撞到墙上,并以 12 m/s 沿原路弹回。接触时间为 40 ms。 求墙给小球的冲量大小 J。

m = 0.6 kgvin = 8 m/svout = 12 m/sΔt = 40 ms
J = N·s
13.刚体转动中等
n = 2900 rpmTb​ = 180 N·mI = 12 kg·m²

转动惯量为 12 kg·m² 的飞轮以 2900 rpm 转动。制动器施加 180 N·m 的恒定摩擦转矩。 它需要多长时间 t 才能停下?

I = 12 kg·m²n = 2900 rpmTb = 180 N·m
t = s
14.刚体转动困难
θ = 10°vs = 4.5 m

一个实心球从静止开始,沿与水平面成 10° 的斜面无滑动地滚下。取 g = 9.81 m/s²。 它的半径为 0.05 m。求它沿斜面滚过 4.5 m 后的角速度 ω。

θ = 10°s = 4.5 mI = (2/5)·m·r²g = 9.81 m/s²r = 0.05 m
ω = rad/s
15.齿轮与齿轮系中等
d1​ = 150 mmd2​ = 400 mm1440 rpmT1​ = 600 NT2​ = 150 NP = ?

一条皮带绕在一个以 1440 rpm 转动、直径 150 mm 的主动轮上。紧边张力为 600 N,松边张力为 150 N。求传递的功率 P,单位 kW。

d1 = 150 mmn1 = 1440 rpmT1 = 600 NT2 = 150 N
P = kW
16.齿轮与齿轮系困难
d1​ = 100 mmd2​ = 315 mm1450 rpmC = 800 mmT1​ = 600 NT2​P = ?

一条开口皮带把一个以 1450 rpm 转动、直径 100 mm 的主动轮与一个 315 mm 的带轮相连;中心距为 800 mm。摩擦系数为 0.35,紧边张力不得超过 600 N。求皮带在不打滑时能传递的最大功率 P,单位 kW(忽略离心效应)。

d1 = 100 mmn1 = 1450 rpmd2 = 315 mmC = 800 mmμ = 0.35T1 = 600 N
P = kW
17.弹簧与单摆中等
L = 1.1 mT = 1.32 s

一名宇航员在另一颗行星上发现,一个长 1.1 m 的单摆在小幅摆动时周期为 1.32 s。求该行星上的重力加速度 g。

L = 1.1 mT = 1.32 s
g = m/s²
18.弹簧与单摆困难
1.1 kgk = 110 N/mA = 20 cm

一个 1.1 kg 的物体连在 k = 110 N/m 的弹簧上,从平衡位置拉开 20 cm 后释放。 求它的最大加速度 amax。

m = 1.1 kgk = 110 N/mA = 20 cm
amax = m/s²
19.机械振动中等
k = 100 kN/mc = 240 N·s/mm = 15 kg

一个 15 kg 的质量块由刚度为 100 kN/m 的弹簧和阻尼系数为 240 N·s/m 的黏性阻尼器支承。求阻尼比 ζ。

m = 15 kgk = 100 kN/mc = 240 N·s/m
ζ =
20.机械振动困难
k1​ = 40k2​ = 60m = 40 kg

一个 40 kg 的质量块悬挂在首尾相接(串联)的两根弹簧上:上弹簧 k₁ = 40 kN/m,下弹簧 k₂ = 60 kN/m。 忽略阻尼和弹簧的质量。求竖向振动的固有频率 fn,以 Hz 计。

m = 40 kgk1 = 40 kN/mk2 = 60 kN/m
fn = Hz

3溶液

1.运动学

答案: s = 64.29 m

匀变速直线运动:v = v₀ + a·t,s = v₀·t + ½·a·t²,v² = v₀² + 2·a·s。选择包含三个已知量和一个待求量的那个方程,并按同一个正方向统一符号。

单位

v₀ = 108/3.6 = 30 m/s

制动距离

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 30²/(2·7) = 64.29 m

答案

s = 64.29 m
2.运动学

答案: hmax = 21.27 m

匀变速直线运动:v = v₀ + a·t,s = v₀·t + ½·a·t²,v² = v₀² + 2·a·s。选择包含三个已知量和一个待求量的那个方程,并按同一个正方向统一符号。

高出屋顶的高度

0 = v₀² − 2·g·Δh → Δh = 5²/(2·9.81) = 1.274 m

离地面的高度

hmax = 20 + 1.274 = 21.27 m

答案

hmax = 21.27 m
3.牛顿定律

答案: F = 156 N

Newton’s second law: the net force on a body equals its mass times its acceleration, ΣF = m·a. Draw a free-body diagram, choose a positive direction along the motion, and add every force in that direction: applied forces, friction μ·N against the motion, and the components of gravity.

沿斜面方向的力

匀速:各力平衡。

F = m·g·sin θ + μ·m·g·cos θ

推力

F = 100.7 + 55.31 = 156 N

答案

F = 156 N
4.牛顿定律

答案: T = 8.759 N

牛顿第二定律:物体所受的合力等于其质量乘以加速度,ΣF = m·a。画出受力图,沿运动方向选定正方向,把该方向上的所有力相加:外加的力、与运动方向相反的摩擦力 μ·N,以及重力的分力。

系统的加速度

a = (m2·g − μ·m1·g)/(m1 + m2) = (9.81 − 6.131)/3.5 = 1.051 m/s²

由桌面上的物块求张力

T − μ·m1·g = m1·a
T = 2.5·1.051 + 6.131 = 8.759 N

答案

T = 8.759 N
5.抛体运动

答案: t = 4.077 s

抛体运动:无空气阻力时,x = vxt,y = h + vyt − ½gt²。两个方向相互独立,只共享同一时间。

分解初速度

水平速度保持不变;竖直运动具有向下的恒定加速度 g = 9.81 m/s²。

vx = v0·cos θ = 40·cos 30° = 34.64 m/s
vy = v0·sin θ = 40·sin 30° = 20 m/s

飞行时间

起点与落点等高:t = 2vy/g。

t = 2·20/9.81 = 4.077 s

答案

t = 4.077 s
6.抛体运动

答案: x = 82.73 m

抛体运动:无空气阻力时,x = vxt,y = h + vyt − ½gt²。两个方向相互独立,只共享同一时间。

分解初速度

水平速度保持不变;竖直运动具有向下的恒定加速度 g = 9.81 m/s²。

vx = v0·cos θ = 23·cos 50° = 14.78 m/s
vy = v0·sin θ = 23·sin 50° = 17.62 m/s

飞行时间

解 y(t) = h + vy·t − ½gt² = 0,取正根。

0 = 55 + 17.62·t − 4.905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (17.62 + √(310.4 + 1079))/9.81 = 5.596 s

水平距离

x = vx·t = 14.78·5.596 = 82.73 m

答案

x = 82.73 m
7.圆周运动

答案: vmax = 17.16 m/s

匀速圆周运动:物体以速率 v 在半径为 r 的圆周上运动时,具有指向圆心的加速度 a = v²/r,因此需要指向圆心的合力 F = m·v²/r。这个力必须由真实的力提供:摩擦力、张力、重力或支持力。

摩擦力提供向心力

m·v²/r = μ·m·g
v = √(μ·g·r) = √(0.6·9.81·50) = 17.16 m/s

答案

vmax = 17.16 m/s (61.76 km/h)
8.圆周运动

答案: vmin = 3.431 m/s

匀速圆周运动:物体以速率 v 在半径为 r 的圆周上运动时,具有指向圆心的加速度 a = v²/r,因此需要指向圆心的合力 F = m·v²/r。这个力必须由真实的力提供:摩擦力、张力、重力或支持力。

最高点张力为零

m·g = m·v²/r → v = √(g·r) = √(9.81·1.2) = 3.431 m/s

答案

vmin = 3.431 m/s
9.功和能

答案: Wf = 53.52 J

动能定理:动能的变化等于所有力做的功。把重力和弹簧写成势能(mgh 和 ½kx²)后得到能量衡算:初始能量 = 终了能量 + 摩擦损失的能量 (μN·d)。

摩擦力

N = mg·cos θ = 9.81·0.866 = 8.496 N
F = μN = 0.35·8.496 = 2.973 N

克服摩擦做的功

Wf = F·d = 2.973·18 = 53.52 J

答案

Wf = 53.52 J
10.功和能

答案: v = 7.143 m/s

动能定理:动能的变化等于所有力做的功。把重力和弹簧写成势能(mgh 和 ½kx²)后得到能量衡算:初始能量 = 终了能量 + 摩擦损失的能量 (μN·d)。

沿斜面方向的力

m·g = 15·9.81 = 147.2 N
mg·sin θ = 84.4 N
μ·mg·cos θ = 18.08 N

功–能关系

½mv² = (145 − 102.5)·9 = 382.7 J
v = √(2·382.7/15) = 7.143 m/s

答案

v = 7.143 m/s
11.动量与碰撞

答案: ΔK/K = 68.42 %

Conservation of momentum: when no external force acts during a collision, the total momentum Σm·v before equals the total after. Velocities have a direction, so pick a positive direction and give velocities the other way a minus sign. In an elastic collision kinetic energy is conserved too; in a perfectly inelastic one the bodies stick together.

共同速度

v′ = m1·v1/(m1 + m2) = 600·15/1900 = 4.737 m/s

碰撞前后的动能

Kbefore = ½·600·15² = 67500 J
Kafter = ½·1900·4.737² = 21316 J

损失的比例

ΔK/K = 46184/67500 = 68.42 %

答案

ΔK/K = 68.42 %

损失的能量转化为形变、热和声音。

12.动量与碰撞

答案: J = 12 N·s

动量守恒:碰撞过程中若没有外力作用,碰撞前的总动量 Σm·v 等于碰撞后的总动量。速度有方向,所以要选定正方向,反方向的速度取负号。弹性碰撞中动能也守恒;完全非弹性碰撞中物体粘在一起运动。

动量的变化量

J = m·Δv = 0.6·(12 + 8) = 12 N·s

答案

J = 12 N·s
13.刚体转动

答案: t = 20.25 s

Rotation about a fixed axis: the sum of the moments about the axis equals I·α (ΣM = I·α), just as ΣF = m·a for translation. In energy form, a torque T turning through an angle θ (in radians) does work T·θ, which changes the kinetic energy ½·I·ω²; gravity adds or removes m·g·Δh of the centre of mass. Power is P = T·ω.

角速度

ω = 2π·2900/60 = 303.7 rad/s

减速度和时间

α = Tb/I = 180/12 = 15 rad/s²
t = ω/α = 303.7/15 = 20.25 s

答案

t = 20.25 s
14.刚体转动

答案: ω = 66.18 rad/s

Rolling and angular momentum: a body rolling without slipping has v = ω·r, so its kinetic energy is ½·m·v² + ½·I·ω² = ½·m·v²·(1 + I/(m·r²)). Down a slope that gives a = g·sin θ/(1 + I/(m·r²)). When no external moment acts about an axis, the angular momentum about that axis stays constant, I₁·ω₁ = I₂·ω₂, even if kinetic energy is lost.

下降的高度

h = s·sin θ = 4.5·sin 10° = 0.7814 m

滚动时的能量平衡

无滑动滚动:ω = v/r,接触点处的摩擦力不做功。

m·g·h = ½·m·v²·(1 + 0.4)
v = √(2·9.81·0.7814/1.4) = 3.309 m/s
ω = v/r = 3.309/0.05 = 66.18 rad/s

答案

ω = 66.18 rad/s
15.齿轮与齿轮系

答案: P = 5.089 kW

皮带传动:无打滑时,两个带轮的轮缘线速度相同,v = π·d·n/60,所以 n₁·d₁ = n₂·d₂,速比为 d₂/d₁。打滑率 s 使从动轮稍慢:n₂ = n₁·(d₁/d₂)·(1 − s)。传递的功率为 P = (T₁ − T₂)·v,其中 T₁ 为紧边张力,T₂ 为松边张力。摩擦限制了张力之比:T₁/T₂ = eμθ,其中 θ 是小带轮上的包角(弧度);对开口皮带,θ = π − 2·asin((d₂ − d₁)/(2C)),C 为中心距。

皮带速度

v = 11.31 m/s

功率

P = (600 − 150)·11.31 = 5089 W = 5.089 kW

答案

P = 5.089 kW
16.齿轮与齿轮系

答案: P = 2.888 kW

皮带传动:无打滑时,两个带轮的轮缘线速度相同,v = π·d·n/60,所以 n₁·d₁ = n₂·d₂,速比为 d₂/d₁。打滑率 s 使从动轮稍慢:n₂ = n₁·(d₁/d₂)·(1 − s)。传递的功率为 P = (T₁ − T₂)·v,其中 T₁ 为紧边张力,T₂ 为松边张力。摩擦限制了张力之比:T₁/T₂ = eμθ,其中 θ 是小带轮上的包角(弧度);对开口皮带,θ = π − 2·asin((d₂ − d₁)/(2C)),C 为中心距。

包角

θ = 2.872 rad

松边张力

eμθ = e1.005 = 2.732, T₂ = 600/2.732 = 219.6 N

功率

P = (600 − 219.6)·7.592 = 2.888 kW

答案

P = 2.888 kW
17.弹簧与单摆

答案: g = 24.92 m/s²

Simple harmonic motion: a mass m on a spring of stiffness k oscillates with angular frequency ω = √(k/m) and period T = 2π/ω = 2π·√(m/k). A simple pendulum of length L has T = 2π·√(L/g). With amplitude A, the largest speed is A·ω, the largest acceleration A·ω² and the energy ½·k·A².

求 g

g = 4π²·L/T² = 4π²·1.1/1.32² = 24.92 m/s²

答案

g = 24.92 m/s²
18.弹簧与单摆

答案: amax = 20 m/s²

简谐运动:质量为 m 的物体连在劲度系数为 k 的弹簧上,振动的角频率为 ω = √(k/m),周期为 T = 2π/ω = 2π·√(m/k)。摆长为 L 的单摆周期为 T = 2π·√(L/g)。振幅为 A 时,最大速度为 A·ω,最大加速度为 A·ω²,能量为 ½·k·A²。

角频率

ω = √(110/1.1) = 10 rad/s

最大加速度

amax = A·ω² = 0.2·10² = 20 m/s²

答案

amax = 20 m/s²
19.机械振动

答案: ζ = 0.09798

质量–弹簧系统的自由振动:无阻尼固有角频率为 ωn = √(k/m)(rad/s),fn = ωn/(2π)(Hz)。黏性阻尼器 c 给出阻尼比 ζ = c/cc,其中临界阻尼 cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn。欠阻尼系统(ζ < 1)以 ωd = ωn·√(1 − ζ²) 振荡。并联弹簧刚度相加,k = k₁ + k₂;串联弹簧按倒数相加,1/k = 1/k₁ + 1/k₂。

临界阻尼

cc = 2·√(k·m) = 2·√(100000·15) = 2449 N·s/m

阻尼比

ζ = c/cc = 240/2449 = 0.09798

答案

ζ = 0.09798

ζ < 1,所以系统为欠阻尼,在衰减的同时振荡。

20.机械振动

答案: fn = 3.898 Hz

质量–弹簧系统的自由振动:无阻尼固有角频率为 ωn = √(k/m)(rad/s),fn = ωn/(2π)(Hz)。黏性阻尼器 c 给出阻尼比 ζ = c/cc,其中临界阻尼 cc = 2·√(k·m) = 2·m·ωn。欠阻尼系统(ζ < 1)以 ωd = ωn·√(1 − ζ²) 振荡。并联弹簧刚度相加,k = k₁ + k₂;串联弹簧按倒数相加,1/k = 1/k₁ + 1/k₂。

等效刚度

串联弹簧受力相同、变形相加,所以按倒数组合:1/k = 1/k1 + 1/k2。

1/keq = 1/40 + 1/60 → keq = 40·60/(40 + 60) = 24 kN/m

固有频率

ωn = √(24000/40) = 24.49 rad/s
fn = 24.49/(2π) = 3.898 Hz

答案

fn = 3.898 Hz

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