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)7.407 s33.33

一辆以 120 km/h 行驶的汽车以 4.5 m/s² 的恒定减速度制动,直到停下。 求制动距离 s。

v₀ = 120 km/ha = −4.5 m/s²v = 0
s = m
2.运动学困难
AB: 20 m/s40 m

球 A 从 40 m 高处由静止释放。同一时刻,球 B 从正下方的地面以 20 m/s 竖直上抛。忽略空气阻力,取 g = 9.81 m/s²。 它们在离地面多高处 y 相遇?

H = 40 mv0B = 20 m/sg = 9.81 m/s²
y = m
3.牛顿定律中等
θ = 40°a = ?m = 15 kg

一个 15 kg 的物块沿倾角为 40° 的斜面下滑。动摩擦因数为 0.15。 取 g = 9.81 m/s²。求物块沿斜面的加速度 a。

m = 15 kgθ = 40°μ = 0.15g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.牛顿定律困难
θ = 25°物块v₀ = 10.5 m/s

一个物块被推了一下,以 10.5 m/s 的速度开始沿 25° 的斜面向上滑动。动摩擦因数为 0.3。取 g = 9.81 m/s²。它沿斜面滑行多远 d 后停止?

v₀ = 10.5 m/sθ = 25°μ = 0.3g = 9.81 m/s²
d = m
5.抛体运动中等
6 my = ?v0​ = 12 m/s70°

一个球从水平地面以 12 m/s、与水平方向成 70° 的角度朝 6 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 = 12 m/sθ = 70°x = 6 mg = 9.81 m/s²
y = m
6.抛体运动困难
h = 40 mv0​ = 30 m/s25°射程

一个球 从 40 m 高的悬崖顶上以高于水平面 25° 的角度抛出。忽略空气阻力。求球落地前的飞行时间 t。

v0 = 30 m/sθ = 25°h = 40 mg = 9.81 m/s²
t = s
7.圆周运动中等
r = 25 mvmax​ = ?

一辆汽车驶过路面上的一个凸起的顶部,凸起是半径为 25 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 = 25 mg = 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 50 m 的弯道倾斜 20°,轮胎与路面之间的静摩擦因数为 0.25。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 = 50 mθ = 20°μs = 0.25g = 9.81 m/s²
vmax = m/s
9.功和能中等
40°d = 11 mμ = 0.15

一个物块由静止沿倾角 40° 的斜面下滑。动摩擦因数为 0.15。求它沿斜面滑行 11 m 后的速度 v。

θ = 40°μ = 0.15d = 11 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
10.功和能困难
h = 12 mR = 3 mN = ?

一辆 10 kg 的小车从光滑轨道上 12 m 高处由静止释放,轨道通入一个半径为 3 m 的竖直圆环。 求小车在圆环顶点时轨道对它的法向力 N。

m = 10 kgh = 12 mR = 3 mg = 9.81 m/s²
N = N
11.动量与碰撞中等
4 kg8 m/s1 kg

在无摩擦的导轨上,一个以 8 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 = 8 m/sv2 = 0
v′1 = m/s
12.动量与碰撞困难
2.5 kgv = ?10 g15°L = 0.6 m

一颗 10 g 的子弹水平射入一个用长 0.6 m 的轻绳悬挂的 2.5 kg 木块,并留在其中。绳子摆起的最大角度为与竖直方向成 15°。取 g = 9.81 m/s²。求子弹撞击前的速度 v。

m = 10 gM = 2.5 kgL = 0.6 mθ = 15°g = 9.81 m/s²
v = m/s
13.刚体转动中等
11.5 kgaαM = 19 kgR = 0.2 m

一个 11.5 kg 的物块悬挂在绕过滑轮的轻绳上,滑轮是质量为 19 kg、半径为 0.2 m 的均匀实心圆盘,在无摩擦的水平轴上转动。物块从静止释放。取 g = 9.81 m/s²。 求绳中的张力 T。

m = 11.5 kgM = 19 kgR = 0.2 mg = 9.81 m/s²
T = N
14.刚体转动困难
θ = 40°a

一个薄圆环沿与水平面成 40° 的斜面无滑动地滚下。取 g = 9.81 m/s²。 求防止它打滑所需的最小静摩擦因数 μs。

θ = 40°I = m·r²g = 9.81 m/s²
μs =
15.齿轮与齿轮系中等
N1​ = ?N2​

两根平行轴相距 135 mm。须用一对模数为 3 mm、减速比为 5 : 1 的直齿圆柱齿轮把它们连接起来。 小齿轮须有多少个齿 N1?

a = 135 mmm = 3 mmi = 5
N1 =
16.齿轮与齿轮系困难
A = 15B = 32C = 20D = 50

在一个复合轮系中,输入轴上的齿轮 A(15 齿)以 2900 rpm 转动,驱动齿轮 B(32 齿)。齿轮 C(20 齿)与 B 固定在同一根轴上,驱动输出轴上的齿轮 D(50 齿)。求输出转速 nout。

nin = 2900 rpmA = 15B = 32C = 20D = 50
nout = rpm
17.弹簧与单摆中等
L = ?

要使单摆的周期为 2.8 s,摆长应为多少?取 g = 9.81 m/s²。求 L。

T = 2.8 sg = 9.81 m/s²
L = m
18.弹簧与单摆困难
t (s)x (cm)t = ?2.5

一个物体做简谐振动,周期为 1.3 s,振幅为 5 cm。 它从最大位移 5 cm 处运动到位移 2.5 cm 处所需的最短时间 t 是多少?

T = 1.3 sA = 5 cmx = 2.5 cm
t = s
19.机械振动中等
k = 150 kN/mζ = 0.7m = 80 kg

一个 80 kg 的质量块挂在刚度为 150 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 = 80 kgk = 150 kN/mζ = 0.7
fd = Hz
20.机械振动困难
k1​ = 5k2​ = 40m = 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 = 5 kN/m,下弹簧 k₂ = 40 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 = 5 kN/mk2 = 40 kN/m
fn = Hz

3溶液

1.运动学

答案: s = 123.5 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 = 120/3.6 = 33.33 m/s

制动距离

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 33.33²/(2·4.5) = 123.5 m

答案

s = 123.5 m
2.运动学

答案: y = 20.38 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.

相遇时间

向上为正,地面为 y = 0。

40 − ½g·t² = 20·t − ½g·t² → t = 40/20 = 2 s

相遇高度

y = 20·2 − ½·9.81·2² = 20.38 m

答案

y = 20.38 m
3.牛顿定律

答案: a = 5.179 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。

沿斜面方向的力

沿斜面向下为正。

m·a = m·g·sin θ − μ·m·g·cos θ

加速度

a = 9.81·(sin 40° − 0.15·cos 40°) = 9.81·(0.6428 − 0.1149) = 5.179 m/s²

答案

a = 5.179 m/s²
4.牛顿定律

答案: d = 8.091 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 25° + 0.3·cos 25°) = 6.813 m/s²

距离

d = v₀²/(2a) = 10.5²/(2·6.813) = 8.091 m

答案

d = 8.091 m
5.抛体运动

答案: y = 6.002 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 = 12·cos 70° = 4.104 m/s
t = x/vx = 6/4.104 = 1.462 s

此时的高度

y = 11.28·1.462 − ½·9.81·1.462² = 6.002 m

答案

y = 6.002 m

球到达墙时已经在下落。

6.抛体运动

答案: t = 4.427 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 = 30·cos 25° = 27.19 m/s
vy = v0·sin θ = 30·sin 25° = 12.68 m/s

飞行时间

解 y(t) = h + vy·t − ½gt² = 0,取正根。

0 = 40 + 12.68·t − 4.905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (12.68 + √(160.7 + 784.8))/9.81 = 4.427 s

答案

t = 4.427 s
7.圆周运动

答案: vmax = 15.66 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) = √(9.81·25) = 15.66 m/s

答案

vmax = 15.66 m/s
(56.38 km/h)
8.圆周运动

答案: vmax = 18.2 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 = √(50·9.81·0.5769/0.8542) = 18.2 m/s

答案

vmax = 18.2 m/s
(65.53 km/h)
9.功和能

答案: v = 10.67 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)。

沿斜面的能量衡算

物块下降高度 d·sin θ,摩擦消耗 μmg·cos θ·d。质量约去。

½v² = g·d·(sin θ − μ·cos θ)
v = √(2·9.81·11·(0.6428 − 0.15·0.766)) = 10.67 m/s

答案

v = 10.67 m/s
10.功和能

答案: N = 294.3 N

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)。 在圆周路径上,指向圆心的合力必须等于 mv²/r。

顶点的速度

v² = 2g(h − 2R) = 2·9.81·(12 − 6) = 117.7 m²/s²

顶点的受力

m·g = 10·9.81 = 98.1 N
N = mv²/R − mg = 10·117.7/3 − 98.1 = 294.3 N

答案

N = 294.3 N

当 h = 2.5R 时小车恰好能通过圆环;此时顶点处 N = 0。

11.动量与碰撞

答案: v′1 = 4.8 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)·8 = 4.8 m/s
v′2 = 2·4/(4 + 1)·8 = 12.8 m/s

答案

v′1 = 4.8 m/s
12.动量与碰撞

答案: v = 159 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.

木块的上升高度

h = L·(1 − cos θ) = 0.6·(1 − cos 15°) = 0.02044 m

撞击后的速度

V = √(2·9.81·0.02044) = 0.6333 m/s

碰撞

v = (m + M)·V/m = 2.51·0.6333/0.01 = 159 m/s

答案

v = 159 m/s
13.刚体转动

答案: T = 51.04 N

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.

物块和滑轮

物块: m·g − T = m·a
滑轮: T·R = I·α = ½·M·R²·(a/R) → T = ½·M·a

加速度

a = m·g/(m + M/2) = 11.5·9.81/(11.5 + 9.5) = 5.372 m/s²

张力

T = m·(g − a) = 11.5·(9.81 − 5.372) = 51.04 N

答案

T = 51.04 N
14.刚体转动

答案: μs = 0.4195

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.

运动方程

m·g·sin θ − f = m·a
f·r = I·α = 1·m·r²·(a/r) → f = 1·m·a

加速度

a = g·sin θ/(1 + c) = 9.81·sin 40°/2 = 3.153 m/s²

所需的摩擦

f = c·m·a ≤ μ·m·g·cos θ → μ ≥ c·tan θ/(1 + c)
μs = 1·tan 40°/2 = 0.4195

答案

μs = 0.4195
15.齿轮与齿轮系

答案: N1 = 15

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 = 2·135/3 = 90

按传动比分配

N1 = 90/(1 + 5) = 15

答案

N1 = 15
16.齿轮与齿轮系

答案: nout = 543.8 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 = 2900·15/32 = 1359 rpm = nC

第二级

nout = 1359·20/50 = 543.8 rpm

答案

nout = 543.8 rpm

总传动比 = 5.333 : 1

17.弹簧与单摆

答案: L = 1.948 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·(2.8/2π)² = 1.948 m

答案

L = 1.948 m
18.弹簧与单摆

答案: t = 0.2167 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/1.3 = 4.833 rad/s

求解时间

0.5 = cos(ω·t) → ω·t = arccos(0.5) = 1.047 rad
t = 1.047/4.833 = 0.2167 s

答案

t = 0.2167 s
19.机械振动

答案: fd = 4.922 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 = √(150000/80) = 43.3 rad/s
fn = 43.3/(2π) = 6.892 Hz

有阻尼固有频率

fd = fn·√(1 − ζ²) = 6.892·√(1 − 0.7²) = 4.922 Hz

答案

fd = 4.922 Hz
20.机械振动

答案: fn = 3.355 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 = 1/5 + 1/40 → keq = 5·40/(5 + 40) = 4.444 kN/m

固有频率

ωn = √(4444/10) = 21.08 rad/s
fn = 21.08/(2π) = 3.355 Hz

答案

fn = 3.355 Hz

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