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)1.5 s25

一位以 90 km/h 行驶的司机看到一个障碍物。她的反应时间为 1.5 s,之后汽车以 6.5 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 = 90 km/htr = 1.5 sa = −6.5 m/s²
d = m
2.运动学困难
v₀ = 19 m/s40 m

从离地面 40 m 高的屋顶边缘以 19 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 = 19 m/sh₀ = 40 mg = 9.81 m/s²
hmax = m
3.牛顿定律中等
箱子v₀ = 9 m/sμ = ?

一个箱子以 9 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 = 9 m/sd = 17 mg = 9.81 m/s²
μ =
4.牛顿定律困难
θ = 25°物块v₀ = 5 m/s

一个物块被推了一下,以 5 m/s 的速度开始沿 25° 的斜面向上滑动。动摩擦因数为 0.15。取 g = 9.81 m/s²。它沿斜面滑行多远 d 后停止?

v₀ = 5 m/sθ = 25°μ = 0.15g = 9.81 m/s²
d = m
5.抛体运动中等
5 my = ?v0​ = 16 m/s20°

一个球从水平地面以 16 m/s、与水平方向成 20° 的角度朝 5 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 = 20°x = 5 mg = 9.81 m/s²
y = m
6.抛体运动困难
h = 40 mv0​ = 26 m/s50°射程

一个球 从 40 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。求球落地前的飞行时间 t。

v0 = 26 m/sθ = 50°h = 40 mg = 9.81 m/s²
t = s
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
r = 1.3 mv = 4.5 m/s

一个 1.6 kg 的小球系在长 1.3 m 的绳上,在竖直平面内做圆周运动。在最低点时它的速度为 4.5 m/s。取 g = 9.81 m/s²。求最低点处绳中的张力 T。

m = 1.6 kgr = 1.3 mv = 4.5 m/sg = 9.81 m/s²
T = N
9.功和能中等
90 km/h4°1800 kg

一辆 1800 kg 的汽车以恒定的 90 km/h 驶上 4° 的斜坡。空气阻力和滚动阻力合计 500 N。求车轮须输出的功率 P,以 kW 表示。

m = 1800 kgθ = 4°Fr = 500 Nv = 90 km/hg = 9.81 m/s²
P = kW
10.功和能困难
h = 4 mL = 5 mμ = 0.15k = 2000 N/m

一个 2.5 kg 的物块从光滑坡道上 4 m 高处由静止释放。到达底部后,它通过一段长 5 m 的粗糙水平段(μ = 0.15),然后在光滑表面上撞上一根弹簧(k = 2000 N/m)。 求物块到达弹簧时的速度 v。

m = 2.5 kgh = 4 mL = 5 mμ = 0.15k = 2000 N/mg = 9.81 m/s²
v = m/s
11.动量与碰撞中等
3 kg4 m/s4.5 kg

在无摩擦的导轨上,一个以 4 m/s 运动的 3 kg 滑块与一个静止的 4.5 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 = 3 kgm2 = 4.5 kgv1 = 4 m/sv2 = 0
v′1 = m/s
12.动量与碰撞困难
29 m/s16 m/s

一个 0.6 kg 的小球以 29 m/s 撞到墙上,并以 16 m/s 沿原路弹回。接触时间为 20 ms。 求墙对小球的平均作用力 Favg。

m = 0.6 kgvin = 29 m/svout = 16 m/sΔt = 20 ms
Favg = N
13.刚体转动中等
0 → 700 rpmI = 31 kg·m²

一台电动机用 22 s 把转动惯量为 31 kg·m² 的飞轮从静止加速到 700 rpm。忽略损耗,求它输出的平均功率 Pavg,单位 kW。

I = 31 kg·m²n = 700 rpmt = 22 s
Pavg = kW
14.刚体转动困难
θ = 35°a

一个薄圆环沿与水平面成 35° 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 = 35°I = m·r²g = 9.81 m/s²
μs =
15.齿轮与齿轮系中等
d1​ = 125 mmd2​ = 450 mm960 rpmT1​ = 400 NT2​ = 120 NP = ?

一条皮带绕在一个以 960 rpm 转动、直径 125 mm 的主动轮上。紧边张力为 400 N,松边张力为 120 N。求传递的功率 P,单位 kW。

d1 = 125 mmn1 = 960 rpmT1 = 400 NT2 = 120 N
P = kW
16.齿轮与齿轮系困难
A = 72B = 80C = 16D = 80

在一个复合轮系中,输入轴上的齿轮 A(72 齿)以 2900 rpm 转动,驱动齿轮 B(80 齿)。齿轮 C(16 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 = 72B = 80C = 16D = 80
nout = rpm
17.弹簧与单摆中等
L = 1 mT = 1.26 s

一名宇航员在另一颗行星上发现,一个长 1 m 的单摆在小幅摆动时周期为 1.26 s。求该行星上的重力加速度 g。

L = 1 mT = 1.26 s
g = m/s²
18.弹簧与单摆困难
mk = 310 N/mA = 11 cmx = 8 cm

一个连在 k = 310 N/m 弹簧上的物体在无摩擦表面上以 11 cm 的振幅振动。 求它距平衡位置 8 cm 时的动能 K。

k = 310 N/mA = 11 cmx = 8 cm
K = J
19.机械振动中等
k = 5 kN/mζ = 0.6m = 15 kg

一个 15 kg 的质量块挂在刚度为 5 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 = 15 kgk = 5 kN/mζ = 0.6
fd = Hz
20.机械振动困难
k1​ = 100k2​ = 15m = 20 kg

一个 20 kg 的质量块悬挂在首尾相接(串联)的两根弹簧上:上弹簧 k₁ = 100 kN/m,下弹簧 k₂ = 15 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 = 20 kgk1 = 100 kN/mk2 = 15 kN/m
fn = Hz

3溶液

1.运动学

答案: d = 85.58 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 = 90/3.6 = 25 m/s

反应距离

d1 = v₀·tr = 25·1.5 = 37.5 m

制动距离

d2 = v₀²/(2a) = 25²/(2·6.5) = 48.08 m

合计

d = 37.5 + 48.08 = 85.58 m

答案

d = 85.58 m
2.运动学

答案: hmax = 58.4 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 = 19²/(2·9.81) = 18.4 m

离地面的高度

hmax = 40 + 18.4 = 58.4 m

答案

hmax = 58.4 m
3.牛顿定律

答案: μ = 0.2428

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) = 9²/(2·17) = 2.382 m/s²

摩擦因数

μ·m·g = m·a → μ = a/g = 2.382/9.81 = 0.2428

答案

μ = 0.2428
4.牛顿定律

答案: d = 2.281 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° + 0.15·cos 25°) = 5.48 m/s²

距离

d = v₀²/(2a) = 5²/(2·5.48) = 2.281 m

答案

d = 2.281 m
5.抛体运动

答案: y = 1.277 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 20° = 15.04 m/s
t = x/vx = 5/15.04 = 0.3326 s

此时的高度

y = 5.472·0.3326 − ½·9.81·0.3326² = 1.277 m

答案

y = 1.277 m

球到达墙时仍在上升。

6.抛体运动

答案: t = 5.534 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 = 26·cos 50° = 16.71 m/s
vy = v0·sin θ = 26·sin 50° = 19.92 m/s

飞行时间

解 y(t) = h + vy·t − ½gt² = 0,取正根。

0 = 40 + 19.92·t − 4.905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (19.92 + √(396.7 + 784.8))/9.81 = 5.534 s

答案

t = 5.534 s
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: T = 40.62 N

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。

最低点处的受力

指向圆心(向上)为正。

T − m·g = m·v²/r
T = 1.6·9.81 + 1.6·4.5²/1.3 = 15.7 + 24.92 = 40.62 N

答案

T = 40.62 N
9.功和能

答案: P = 43.29 kW

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)。 功率等于力乘以速度:P = F·v。

驱动力

m·g = 1800·9.81 = 17658 N
mg·sin θ = 17658·sin 4° = 1232 N
F = 1232 + 500 = 1732 N

功率

v = 90/3.6 = 25 m/s
P = F·v = 1732·25 = 43294 W = 43.29 kW

答案

P = 43.29 kW
10.功和能

答案: v = 7.985 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)。

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 = 24.53·(4 − 0.15·5) = 79.71 J

到达弹簧时的速度

½mv² = mg(h − μL) → v = √(2g(h − μL)) = √(2·9.81·3.25) = 7.985 m/s

答案

v = 7.985 m/s
11.动量与碰撞

答案: v′1 = −0.8 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 = (3 − 4.5)/(3 + 4.5)·4 = −0.8 m/s
v′2 = 2·3/(3 + 4.5)·4 = 3.2 m/s

答案

v′1 = −0.8 m/s

负号表示第一个滑块被弹回。

12.动量与碰撞

答案: Favg = 1350 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 = 0.6·(16 + 29) = 27 N·s

平均作用力

Favg = J/Δt = 27/0.02 = 1350 N

答案

Favg = 1350 N
13.刚体转动

答案: Pavg = 3.786 kW

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·700/60 = 73.3 rad/s

能量

E = ½·I·ω² = ½·31·73.3² = 83288 J

平均功率

Pavg = E/t = 83288/22 = 3786 W = 3.786 kW

答案

Pavg = 3.786 kW
14.刚体转动

答案: μs = 0.3501

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 35°/2 = 2.813 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 35°/2 = 0.3501

答案

μs = 0.3501
15.齿轮与齿轮系

答案: P = 1.759 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 = 6.283 m/s

功率

P = (400 − 120)·6.283 = 1759 W = 1.759 kW

答案

P = 1.759 kW
16.齿轮与齿轮系

答案: nout = 522 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 = 2900·72/80 = 2610 rpm = nC

第二级

nout = 2610·16/80 = 522 rpm

答案

nout = 522 rpm

总传动比 = 5.556 : 1

17.弹簧与单摆

答案: g = 24.87 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 = 4π²·1/1.26² = 24.87 m/s²

答案

g = 24.87 m/s²
18.弹簧与单摆

答案: K = 0.8835 J

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.

总能量

E = ½·k·A² = ½·310·0.11² = 1.876 J

x 处的弹簧能量

U = ½·k·x² = ½·310·0.08² = 0.992 J

动能

K = 1.876 − 0.992 = 0.8835 J

答案

K = 0.8835 J
19.机械振动

答案: fd = 2.325 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 = √(5000/15) = 18.26 rad/s
fn = 18.26/(2π) = 2.906 Hz

有阻尼固有频率

fd = fn·√(1 − ζ²) = 2.906·√(1 − 0.6²) = 2.325 Hz

答案

fd = 2.325 Hz
20.机械振动

答案: fn = 4.064 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 = 1/100 + 1/15 → keq = 100·15/(100 + 15) = 13.04 kN/m

固有频率

ωn = √(13043/20) = 25.54 rad/s
fn = 25.54/(2π) = 4.064 Hz

答案

fn = 4.064 Hz

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