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)2.778 s13.89

一辆以 50 km/h 行驶的汽车以 5 m/s² 的恒定减速度制动,直到停下。 求制动距离 s。

v₀ = 50 km/ha = −5 m/s²v = 0
s = m
2.运动学困难
AB: 28 m/s25 m

球 A 从 25 m 高处由静止释放。同一时刻,球 B 从正下方的地面以 28 m/s 竖直上抛。忽略空气阻力,取 g = 9.81 m/s²。 两球何时相遇?求 t。

H = 25 mv0B = 28 m/sg = 9.81 m/s²
t = s
3.牛顿定律中等
箱子v₀ = 10 m/sμ = ?

一个箱子以 10 m/s 的初速度在水平地面上滑动,滑行 34 m 后停止。取 g = 9.81 m/s²。求动摩擦因数 μ。

v₀ = 10 m/sd = 34 mg = 9.81 m/s²
μ =
4.牛顿定律困难
m1​ = 5 kg4.5 kg无摩擦

水平桌面上一个 5 kg 的物块通过跨过光滑滑轮的轻绳与一个悬挂的 4.5 kg 重物相连。 桌面光滑。 取 g = 9.81 m/s²。 求系统的加速度 a。

m1 = 5 kgm2 = 4.5 kgμ = 0g = 9.81 m/s²
a = m/s²
5.抛体运动中等
v0​ = 24 m/s65°射程

一个球 从平地上以高于水平面 65° 的角度抛出。忽略空气阻力。求球落地前的飞行时间 t。

v0 = 24 m/sθ = 65°g = 9.81 m/s²
t = s
6.抛体运动困难
h = 10 mv0​ = 18 m/s20°H = ?

一个球从 10 m 高的悬崖顶部以 18 m/s、与水平方向成 20° 的角度抛出。忽略空气阻力,取 g = 9.81 m/s²。求它高出悬崖脚下地面的最大高度 H。

v₀ = 18 m/sθ = 20°h = 10 mg = 9.81 m/s²
H = m
7.圆周运动中等
r = 105 mvmax​ = ?

一辆汽车通过半径为 105 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 = 105 mμs = 0.6g = 9.81 m/s²
vmax = m/s
8.圆周运动困难
θ = 20°指向圆心vmax​ = ?

一个半径为 290 m 的弯道倾斜 20°,轮胎与路面之间的静摩擦因数为 0.2。取 g = 9.81 m/s²。 求汽车通过弯道而不向上、向外滑出的最高速度 vmax。

r = 290 mθ = 20°μs = 0.2g = 9.81 m/s²
vmax = m/s
9.功和能中等
15°d = 8 mμ = 0.1

一个 2.5 kg 的物块沿倾角 15° 的斜面下滑 8 m,动摩擦因数为 0.1。求克服摩擦做的功 Wf。

m = 2.5 kgθ = 15°μ = 0.1d = 8 mg = 9.81 m/s²
Wf = J
10.功和能困难
h = 5 mL = 1 mμ = 0.2k = 4000 N/m

一个 4 kg 的物块从光滑坡道上 5 m 高处由静止释放。到达底部后,它通过一段长 1 m 的粗糙水平段(μ = 0.2),然后在光滑表面上撞上一根弹簧(k = 4000 N/m)。 求弹簧的最大压缩量 x。

m = 4 kgh = 5 mL = 1 mμ = 0.2k = 4000 N/mg = 9.81 m/s²
x = cm
11.动量与碰撞中等
1 kg17 m/s5 kgv′2​ = ?

一个以 6 m/s 水平运动的 6 kg 抛射体爆炸成沿同一直线运动的两块碎片。1 kg 的碎片以 17 m/s 继续向前运动。求 5 kg 碎片的速度 v′2(以原运动方向为正)。

M = 6 kgu = 6 m/sm1 = 1 kgv′1 = 17 m/sm2 = 5 kg
v′2 = m/s
12.动量与碰撞困难
1100 kgv1​ = ?1000 kg

一辆 1100 kg 的汽车撞上一辆停放的 1000 kg 汽车。两车残骸卡在一起,滑行 7.5 m 后停止。轮胎与路面之间的动摩擦因数为 0.5。取 g = 9.81 m/s²。求碰撞前瞬间第一辆汽车的速度 v1。

m1 = 1100 kgm2 = 1000 kgd = 7.5 mμ = 0.5g = 9.81 m/s²
v1 = m/s
13.刚体转动中等
n = 2600 rpmTb​ = 150 N·mI = 20.5 kg·m²

转动惯量为 20.5 kg·m² 的飞轮以 2600 rpm 转动。制动器施加 150 N·m 的恒定摩擦转矩。 它需要多长时间 t 才能停下?

I = 20.5 kg·m²n = 2600 rpmTb = 150 N·m
t = s
14.刚体转动困难
4 m/sω

一个质量为 5.5 kg 的实心球以 4 m/s 的速度无滑动地滚动。 求它的总动能 Ek。

m = 5.5 kgv = 4 m/sI = (2/5)·m·r²
Ek = J
15.齿轮与齿轮系中等
N1​N2​ = ?

两根平行轴相距 100 mm。须用一对模数为 5 mm、减速比为 1.5 : 1 的直齿圆柱齿轮把它们连接起来。 大齿轮须有多少个齿 N2?

a = 100 mmm = 5 mmi = 1.5
N2 =
16.齿轮与齿轮系困难
d1​ = 200 mmd2​ = 315 mm2880 rpmC = 1000 mmθ = ?

一条开口皮带连接一个 200 mm 的带轮和一个 315 mm 的带轮,二者中心相距 1000 mm。求小带轮上的包角 θ,单位为度。

d1 = 200 mmd2 = 315 mmC = 1000 mm
θ = °
17.弹簧与单摆中等
L = ?

要使单摆的周期为 0.9 s,摆长应为多少?取 g = 9.81 m/s²。求 L。

T = 0.9 sg = 9.81 m/s²
L = m
18.弹簧与单摆困难
t (s)x (cm)t = ?9.1

一个物体做简谐振动,周期为 1.8 s,振幅为 13 cm。 它从平衡位置运动到位移 9.1 cm 处所需的最短时间 t 是多少?

T = 1.8 sA = 13 cmx = 9.1 cm
t = s
19.机械振动中等
k = 40 kN/mζ = 0.6m = 2 kg

一个 2 kg 的质量块挂在刚度为 40 kN/m 的弹簧上,黏性阻尼器使阻尼比为 0.6。求其自由振动的有阻尼固有频率 fd,以 Hz 计。

m = 2 kgk = 40 kN/mζ = 0.6
fd = Hz
20.机械振动困难
k1​ = 50k2​ = 50m = 10 kg

一个 10 kg 的质量块悬挂在首尾相接(串联)的两根弹簧上:上弹簧 k₁ = 50 kN/m,下弹簧 k₂ = 50 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 = 10 kgk1 = 50 kN/mk2 = 50 kN/m
fn = Hz

3溶液

1.运动学

答案: s = 19.29 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 = 50/3.6 = 13.89 m/s

制动距离

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 13.89²/(2·5) = 19.29 m

答案

s = 19.29 m
2.运动学

答案: t = 0.8929 s

Motion with constant acceleration: v = v₀ + a·t, s = v₀·t + ½·a·t² and v² = v₀² + 2·a·s. Pick the equation that contains the three things you know and the one you want, and keep the signs consistent with one positive direction.

相遇时间

向上为正,地面为 y = 0。

25 − ½g·t² = 28·t − ½g·t² → t = 25/28 = 0.8929 s

答案

t = 0.8929 s
3.牛顿定律

答案: μ = 0.1499

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.

减速度

a = v₀²/(2d) = 10²/(2·34) = 1.471 m/s²

摩擦因数

μ·m·g = m·a → μ = a/g = 1.471/9.81 = 0.1499

答案

μ = 0.1499
4.牛顿定律

答案: a = 4.647 m/s²

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) = (44.15 − 0)/9.5 = 4.647 m/s²

答案

a = 4.647 m/s²
5.抛体运动

答案: t = 4.435 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 = 24·cos 65° = 10.14 m/s
vy = v0·sin θ = 24·sin 65° = 21.75 m/s

飞行时间

起点与落点等高:t = 2vy/g。

t = 2·21.75/9.81 = 4.435 s

答案

t = 4.435 s
6.抛体运动

答案: H = 11.93 m

Projectile motion: with no air resistance, x = vxt and y = h + vyt − ½gt². The two directions are independent except that they share the same time.

竖直方向的初速度

vy = 18·sin 20° = 6.156 m/s

高出悬崖的上升高度

Δh = vy²/(2g) = 6.156²/(2·9.81) = 1.932 m

离地面的高度

H = 10 + 1.932 = 11.93 m

答案

H = 11.93 m
7.圆周运动

答案: vmax = 24.86 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) = √(0.6·9.81·105) = 24.86 m/s

答案

vmax = 24.86 m/s (89.5 km/h)
8.圆周运动

答案: vmax = 41.6 m/s

Uniform circular motion: an object moving at speed v on a circle of radius r accelerates towards the centre with a = v²/r, so it needs a net inward force F = m·v²/r. That force is supplied by something real: friction, tension, gravity or a normal force.

力的平衡

摩擦力沿斜面向下。

N·(sin θ + μ·cos θ) = m·v²/r
N·(cos θ − μ·sin θ) = m·g

速率

v = √(290·9.81·0.53/0.8713) = 41.6 m/s

答案

vmax = 41.6 m/s
(149.8 km/h)
9.功和能

答案: Wf = 18.95 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 = 24.53·0.9659 = 23.69 N
F = μN = 0.1·23.69 = 2.369 N

克服摩擦做的功

Wf = F·d = 2.369·8 = 18.95 J

答案

Wf = 18.95 J
10.功和能

答案: x = 30.69 cm

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)。

通过粗糙段后剩余的能量

坡道光滑,只有粗糙段消耗能量。

mgh − μmgL = 39.24·(5 − 0.2·1) = 188.4 J

最大压缩量

½kx² = 188.4 → x = √(2·188.4/4000) = 0.3069 m = 30.69 cm

答案

x = 30.69 cm
11.动量与碰撞

答案: v′2 = 3.8 m/s

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.

碰撞前的动量

p = M·u = 6·6 = 36 kg·m/s

碰撞后的动量

36 = 1·17 + 5·v′2
v′2 = (36 − 17)/5 = 3.8 m/s

答案

v′2 = 3.8 m/s
12.动量与碰撞

答案: v1 = 16.38 m/s

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.

碰撞后的速度

V = √(2·μ·g·d) = √(2·0.5·9.81·7.5) = 8.578 m/s

碰撞中的动量

m1·v1 = (m1 + m2)·V → v1 = 2100·8.578/1100 = 16.38 m/s

答案

v1 = 16.38 m/s
(58.95 km/h)
13.刚体转动

答案: t = 37.21 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·2600/60 = 272.3 rad/s

减速度和时间

α = Tb/I = 150/20.5 = 7.317 rad/s²
t = ω/α = 272.3/7.317 = 37.21 s

答案

t = 37.21 s
14.刚体转动

答案: Ek = 61.6 J

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.

平动部分和转动部分

Etrans = ½·m·v² = ½·5.5·4² = 44 J
Erot = ½·I·ω² = ½·0.4·m·r²·(v/r)² = 0.4·44 = 17.6 J

合计

Ek = 44 + 17.6 = 61.6 J

答案

Ek = 61.6 J
15.齿轮与齿轮系

答案: N2 = 24

Gear geometry: the module m sets the tooth size. A gear with N teeth has a pitch diameter d = m·N, two meshing gears have the same module, and their centre distance is a = (d₁ + d₂)/2 = m·(N₁ + N₂)/2. The pitch-line speed is v = π·d·n/60, and the tangential tooth force follows from the torque: Ft = 2T/d.

总齿数

N1 + N2 = 2a/m = 2·100/5 = 40

按传动比分配

N1 = 40/(1 + 1.5) = 16
N2 = 1.5·16 = 24

答案

N2 = 24
16.齿轮与齿轮系

答案: θ = 173.4 °

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。

皮带角

asin(0.0575) = 3.296°

包角

θ = 180 − 2·3.296 = 173.4°

答案

θ = 173.4°
17.弹簧与单摆

答案: L = 0.2013 m

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。

求摆长

L = g·(T/2π)² = 9.81·(0.9/2π)² = 0.2013 m

答案

L = 0.2013 m
18.弹簧与单摆

答案: t = 0.2221 s

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.

角频率

ω = 2π/T = 2π/1.8 = 3.491 rad/s

求解时间

0.7 = sin(ω·t) → ω·t = arcsin(0.7) = 0.7754 rad
t = 0.7754/3.491 = 0.2221 s

答案

t = 0.2221 s
19.机械振动

答案: fd = 18.01 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。

无阻尼固有频率

ωn = √(40000/2) = 141.4 rad/s
fn = 141.4/(2π) = 22.51 Hz

有阻尼固有频率

fd = fn·√(1 − ζ²) = 22.51·√(1 − 0.6²) = 18.01 Hz

答案

fd = 18.01 Hz
20.机械振动

答案: fn = 7.958 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 = 1/50 + 1/50 → keq = 50·50/(50 + 50) = 25 kN/m

固有频率

ωn = √(25000/10) = 50 rad/s
fn = 50/(2π) = 7.958 Hz

答案

fn = 7.958 Hz

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