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。

新题目返回课程

在打印窗口中选择“另存为 PDF”,即可在设备上保存一份副本。

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)1.3 s15

一位以 54 km/h 行驶的司机看到一个障碍物。她的反应时间为 1.3 s,之后汽车以 5.5 m/s² 的恒定减速度制动。求从她看到障碍物起的总停车距离 d。

v₀ = 54 km/htr = 1.3 sa = −5.5 m/s²
d = m
2.运动学困难
v₀ = 5 m/s25 m

从离地面 25 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 = 25 mg = 9.81 m/s²
hmax = m
3.牛顿定律中等
箱子v₀ = 11.5 m/sμ = ?

一个箱子以 11.5 m/s 的初速度在水平地面上滑动,滑行 17 m 后停止。取 g = 9.81 m/s²。求动摩擦因数 μ。

v₀ = 11.5 m/sd = 17 mg = 9.81 m/s²
μ =
4.牛顿定律困难
θ = 30°物块v₀ = 10 m/s

一个物块被推了一下,以 10 m/s 的速度开始沿 30° 的斜面向上滑动。动摩擦因数为 0.25。取 g = 9.81 m/s²。它沿斜面滑行多远 d 后停止?

v₀ = 10 m/sθ = 30°μ = 0.25g = 9.81 m/s²
d = m
5.抛体运动中等
8 my = ?v0​ = 16 m/s50°

一个球从水平地面以 16 m/s、与水平方向成 50° 的角度朝 8 m 外的一面墙踢出。忽略空气阻力,取 g = 9.81 m/s²。球经过墙时的高度 y 是多少?

v₀ = 16 m/sθ = 50°x = 8 mg = 9.81 m/s²
y = m
6.抛体运动困难
4 mv0​ = 24 m/s45°x = ?

一个球从地面以 24 m/s、与水平方向成 45° 的角度抛出。它在下落途中落在一栋 4 m 高的建筑的平屋顶上。忽略空气阻力,取 g = 9.81 m/s²。求从抛出点到落点的水平距离 x。

v₀ = 24 m/sθ = 45°hroof = 4 mg = 9.81 m/s²
x = m
7.圆周运动中等
r = 110 mvmax​ = ?

一辆汽车驶过路面上的一个凸起的顶部,凸起是半径为 110 m 的圆弧。取 g = 9.81 m/s²。速度超过多少 vmax 时,车轮会在顶部离开路面?

r = 110 mg = 9.81 m/s²
vmax = m/s
8.圆周运动困难
θ = 30°指向圆心vmax​ = ?

一个半径为 220 m 的弯道倾斜 30°,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 = 220 mθ = 30°μs = 0.2g = 9.81 m/s²
vmax = m/s
9.功和能中等
40°d = 7 mμ = 0.25

一个 0.5 kg 的物块沿倾角 40° 的斜面下滑 7 m,动摩擦因数为 0.25。求克服摩擦做的功 Wf。

m = 0.5 kgθ = 40°μ = 0.25d = 7 mg = 9.81 m/s²
Wf = J
10.功和能困难
5 kg2 kgμ = 0.25d = 1.5 m

一个 5 kg 的物块放在粗糙的水平桌面上(μ = 0.25)。一根轻绳从它出发,跨过桌边的光滑滑轮,连接一个悬挂的 2 kg 物块。系统由静止释放。求悬挂物块下降 1.5 m 后两物块的速度 v。

m1 = 5 kgm2 = 2 kgμ = 0.25d = 1.5 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
11.动量与碰撞中等
4 kg7 m/s1 kg

在无摩擦的导轨上,一个以 7 m/s 运动的 4 kg 滑块与一个静止的 1 kg 滑块发生完全弹性的正碰。 求碰撞后第一个滑块的速度 v′1(以其原运动方向为正)。

m1 = 4 kgm2 = 1 kgv1 = 7 m/sv2 = 0
v′1 = m/s
12.动量与碰撞困难
27 m/s7 m/s

一个 0.15 kg 的小球以 27 m/s 撞到墙上,并以 7 m/s 沿原路弹回。接触时间为 50 ms。 求墙对小球的平均作用力 Favg。

m = 0.15 kgvin = 27 m/svout = 7 m/sΔt = 50 ms
Favg = N
13.刚体转动中等
L = 1 mm = 1.5 kgα

质量为 1.5 kg、长为 1 m 的均匀细杆一端铰接,保持水平。从静止释放。取 g = 9.81 m/s²。 求释放瞬间自由端的加速度 atip。

m = 1.5 kgL = 1 mg = 9.81 m/s²
atip = m/s²
14.刚体转动困难
θ = 10°vs = 6 m

一个空心球从静止开始,沿与水平面成 10° 的斜面无滑动地滚下。取 g = 9.81 m/s²。 求它沿斜面滚过 6 m 后的速度 v。

θ = 10°s = 6 mI = (2/3)·m·r²g = 9.81 m/s²
v = m/s
15.齿轮与齿轮系中等
d1​ = 200 mmd2​ = 450 mm1450 rpmT1​ = 1500 NT2​ = 450 NP = ?

一条皮带绕在一个以 1450 rpm 转动、直径 200 mm 的主动轮上。紧边张力为 1500 N,松边张力为 450 N。求传递的功率 P,单位 kW。

d1 = 200 mmn1 = 1450 rpmT1 = 1500 NT2 = 450 N
P = kW
16.齿轮与齿轮系困难
A = 30B = 40C = 36D = 80

在一个复合轮系中,输入轴上的齿轮 A(30 齿)以 2900 rpm 转动,驱动齿轮 B(40 齿)。齿轮 C(36 齿)与 B 固定在同一根轴上,驱动输出轴上的齿轮 D(80 齿)。求输出转速 nout。

nin = 2900 rpmA = 30B = 40C = 36D = 80
nout = rpm
17.弹簧与单摆中等
L = ?

要使单摆的周期为 1.8 s,摆长应为多少?取 g = 9.81 m/s²。求 L。

T = 1.8 sg = 9.81 m/s²
L = m
18.弹簧与单摆困难
3 kgk = 230 N/mA = 19 cm

一个 3 kg 的物体连在 k = 230 N/m 的弹簧上,从平衡位置拉开 19 cm 后释放。 求振动的总能量 E。

m = 3 kgk = 230 N/mA = 19 cm
E = J
19.机械振动中等
k = 20 kN/mζ = 0.7m = 15 kg

一个 15 kg 的质量块挂在刚度为 20 kN/m 的弹簧上,黏性阻尼器使阻尼比为 0.7。求其自由振动的有阻尼固有频率 fd,以 Hz 计。

m = 15 kgk = 20 kN/mζ = 0.7
fd = Hz
20.机械振动困难
k1​ = 80k2​ = 20k3​ = 20m = 25 kg

一个 25 kg 的质量块悬挂在弹簧 k₃ = 20 kN/m 上。k₃ 的上端连接在一根刚性杆上,该杆由并排的两根弹簧 k₁ = 80 kN/m 和 k₂ = 20 kN/m 悬挂;杆保持水平。 忽略阻尼以及弹簧和杆的质量。求竖向振动的固有频率 fn,以 Hz 计。

m = 25 kgk1 = 80 kN/mk2 = 20 kN/mk3 = 20 kN/m
fn = Hz

3溶液

1.运动学

答案: d = 39.95 m

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.

单位

v₀ = 54/3.6 = 15 m/s

反应距离

d1 = v₀·tr = 15·1.3 = 19.5 m

制动距离

d2 = v₀²/(2a) = 15²/(2·5.5) = 20.45 m

合计

d = 19.5 + 20.45 = 39.95 m

答案

d = 39.95 m
2.运动学

答案: hmax = 26.27 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 = 25 + 1.274 = 26.27 m

答案

hmax = 26.27 m
3.牛顿定律

答案: μ = 0.3965

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) = 11.5²/(2·17) = 3.89 m/s²

摩擦因数

μ·m·g = m·a → μ = a/g = 3.89/9.81 = 0.3965

答案

μ = 0.3965
4.牛顿定律

答案: d = 7.113 m

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

两个力都沿斜面向下;质量约去。

a = 9.81·(sin 30° + 0.25·cos 30°) = 7.029 m/s²

距离

d = v₀²/(2a) = 10²/(2·7.029) = 7.113 m

答案

d = 7.113 m
5.抛体运动

答案: y = 6.566 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.

到达墙的时间

vx = 16·cos 50° = 10.28 m/s
t = x/vx = 8/10.28 = 0.7779 s

此时的高度

y = 12.26·0.7779 − ½·9.81·0.7779² = 6.566 m

答案

y = 6.566 m

球到达墙时仍在上升。

6.抛体运动

答案: x = 54.4 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.

分解初速度

vx = 16.97 m/s, vy = 16.97 m/s

落到屋顶的时间

较大的根:球正在下降。

4 = 16.97·t − 4.905·t²
t = (16.97 + √(16.97² − 2·9.81·4))/9.81 = 3.205 s

水平距离

x = vx·t = 16.97·3.205 = 54.4 m

答案

x = 54.4 m
7.圆周运动

答案: vmax = 32.85 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.

法向力为零

m·g = m·v²/r → v = √(g·r) = √(9.81·110) = 32.85 m/s

答案

vmax = 32.85 m/s
(118.3 km/h)
8.圆周运动

答案: vmax = 43.55 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 = √(220·9.81·0.6732/0.766) = 43.55 m/s

答案

vmax = 43.55 m/s
(156.8 km/h)
9.功和能

答案: Wf = 6.576 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 = 4.905·0.766 = 3.757 N
F = μN = 0.25·3.757 = 0.9394 N

克服摩擦做的功

Wf = F·d = 0.9394·7 = 6.576 J

答案

Wf = 6.576 J
10.功和能

答案: v = 1.776 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)。

释放和损失的能量

m₂g·d = 19.62·1.5 = 29.43 J
μ·m₁g·d = 0.25·49.05·1.5 = 18.39 J

两个物块的动能

½(m₁ + m₂)v² = 11.04 → v = √(2·11.04/7) = 1.776 m/s

答案

v = 1.776 m/s
11.动量与碰撞

答案: v′1 = 4.2 m/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。

与静止物体的弹性碰撞

联立动量守恒和能量守恒即可得到这两个结果。

v′1 = (4 − 1)/(4 + 1)·7 = 4.2 m/s
v′2 = 2·4/(4 + 1)·7 = 11.2 m/s

答案

v′1 = 4.2 m/s
12.动量与碰撞

答案: Favg = 102 N

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 = 0.15·(7 + 27) = 5.1 N·s

平均作用力

Favg = J/Δt = 5.1/0.05 = 102 N

答案

Favg = 102 N
13.刚体转动

答案: atip = 14.71 m/s²

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.

对销钉取矩

在释放的瞬间 ω = 0,所以没有向心加速度,质心笔直向下加速。

m·g·L/2 = (m·L²/3)·α → α = 3g/(2L) = 3·9.81/(2·1) = 14.71 rad/s²

自由端的加速度

atip = α·L = 14.71·1 = 14.71 m/s²

答案

atip = 14.71 m/s²

对任何长度,atip = 1.5·g:自由端下落得比扔下的石头还快。

14.刚体转动

答案: v = 3.502 m/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 = 6·sin 10° = 1.042 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 + 0.6667)
v = √(2·9.81·1.042/1.667) = 3.502 m/s

答案

v = 3.502 m/s
15.齿轮与齿轮系

答案: P = 15.94 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 = 15.18 m/s

功率

P = (1500 − 450)·15.18 = 15944 W = 15.94 kW

答案

P = 15.94 kW
16.齿轮与齿轮系

答案: nout = 978.8 rpm

齿轮系:相互啮合的齿轮在轮齿处的线速度相同,所以 n₁·N₁ = n₂·N₂:齿数较少的齿轮转得更快。装在同一根轴上的齿轮转速相同。功率被传递下去(扣除损失),所以转速降低时扭矩增大:T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η,且 P = T·ω,其中 ω = 2π·n/60。

第一级

nB = 2900·30/40 = 2175 rpm = nC

第二级

nout = 2175·36/80 = 978.8 rpm

答案

nout = 978.8 rpm

总传动比 = 2.963 : 1

17.弹簧与单摆

答案: L = 0.8051 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·(1.8/2π)² = 0.8051 m

答案

L = 0.8051 m
18.弹簧与单摆

答案: E = 4.152 J

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 = √(230/3) = 8.756 rad/s

能量

E = ½·k·A² = ½·230·0.19² = 4.152 J

答案

E = 4.152 J
19.机械振动

答案: fd = 4.15 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 = √(20000/15) = 36.51 rad/s
fn = 36.51/(2π) = 5.812 Hz

有阻尼固有频率

fd = fn·√(1 − ζ²) = 5.812·√(1 − 0.7²) = 4.15 Hz

答案

fd = 4.15 Hz
20.机械振动

答案: fn = 4.109 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

只有 k1 和 k2 是并联的。这一对与 k3 串联,所以要按倒数组合。

k12 = 80 + 20 = 100 kN/m
keq = 100·20/(100 + 20) = 16.67 kN/m

固有频率

ωn = √(16667/25) = 25.82 rad/s
fn = 25.82/(2π) = 4.109 Hz

答案

fn = 4.109 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/dynamics