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)2.222 s16.67

一辆以 60 km/h 行驶的汽车以 7.5 m/s² 的恒定减速度制动,直到停下。 求制动距离 s。

v₀ = 60 km/ha = −7.5 m/s²v = 0
s = m
2.运动学困难
v₀ = 17 m/s30 m

从离地面 30 m 高的屋顶边缘以 17 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 = 17 m/sh₀ = 30 mg = 9.81 m/s²
hmax = m
3.牛顿定律中等
20 kg25°F = 100 Nμ = 0.2

一个 20 kg 的雪橇被一根与水平方向成 25° 向上的绳子以 100 N 的力拉着在平坦的雪地上移动。动摩擦因数为 0.2。取 g = 9.81 m/s²。求雪橇的加速度 a。

m = 20 kgF = 100 Nθ = 25°μ = 0.2g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.牛顿定律困难
8 kg1 kgTF = 150 Nμ = 0.2

水平地面上的两个物块由一根水平轻绳相连。一个 150 N 的水平力拉前面 1 kg 的物块;8 kg 的物块被拖在后面。两个物块的动摩擦因数均为 0.2。取 g = 9.81 m/s²。 求连接绳中的拉力 T。

m1 = 8 kgm2 = 1 kgF = 150 Nμ = 0.2g = 9.81 m/s²
T = N
5.抛体运动中等
63 my = ?v0​ = 32 m/s60°

一个球从水平地面以 32 m/s、与水平方向成 60° 的角度朝 63 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 = 32 m/sθ = 60°x = 63 mg = 9.81 m/s²
y = m
6.抛体运动困难
h = 55 mv0​ = 31 m/s15°射程

一个球 从 55 m 高的悬崖顶上以高于水平面 15° 的角度抛出。忽略空气阻力。求球落地前的飞行时间 t。

v0 = 31 m/sθ = 15°h = 55 mg = 9.81 m/s²
t = s
7.圆周运动中等
r = 80 m12 m/s

一辆 1000 kg 的汽车以 12 m/s 驶过路面上的一个凸起的顶部。凸起的顶部是半径为 80 m 的圆弧。取 g = 9.81 m/s²。求顶部路面对汽车的法向力 N。

m = 1000 kgv = 12 m/sr = 80 mg = 9.81 m/s²
N = N
8.圆周运动困难
R = 2 mh = 8.4 m

一辆 4.5 kg 的小车在无摩擦轨道上从 8.4 m 高处由静止释放,驶过一个半径为 2 m 的竖直圆环。取 g = 9.81 m/s²。 求小车在圆环顶部时轨道对它的法向力 Ntop。

m = 4.5 kgh = 8.4 mR = 2 mg = 9.81 m/s²
Ntop = N
9.功和能中等
60°L = 1.5 m10 kg

一个 10 kg 的球挂在长 1.5 m 的轻绳上。把它拉向一侧,使绳与竖直方向成 60°,然后从静止释放。求球经过最低点时绳中的拉力 T。

m = 10 kgL = 1.5 mθ = 60°g = 9.81 m/s²
T = N
10.功和能困难
h = 17.5 mR = 5 mv = ?

一辆 0.5 kg 的小车从光滑轨道上 17.5 m 高处由静止释放,轨道通入一个半径为 5 m 的竖直圆环。 求小车在圆环顶点时的速度 v。

m = 0.5 kgh = 17.5 mR = 5 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
11.动量与碰撞中等
2 kg10 m/s5 kg

在无摩擦的导轨上,一个以 10 m/s 运动的 2 kg 滑块与一个静止的 5 kg 滑块发生完全弹性的正碰。 求碰撞后第二个滑块的速度 v′2。

m1 = 2 kgm2 = 5 kgv1 = 10 m/sv2 = 0
v′2 = m/s
12.动量与碰撞困难
24 m/s12 m/s

一个 0.6 kg 的小球以 24 m/s 撞到墙上,并以 12 m/s 沿原路弹回。接触时间为 10 ms。 求墙给小球的冲量大小 J。

m = 0.6 kgvin = 24 m/svout = 12 m/sΔt = 10 ms
J = N·s
13.刚体转动中等
0 → 1700 rpmI = 13.5 kg·m²

一台电动机用 41 s 把转动惯量为 13.5 kg·m² 的飞轮从静止加速到 1700 rpm。忽略损耗,求它输出的平均功率 Pavg,单位 kW。

I = 13.5 kg·m²n = 1700 rpmt = 41 s
Pavg = kW
14.刚体转动困难
4 m/sω

一个质量为 13 kg 的空心球以 4 m/s 的速度无滑动地滚动。 求它的转动动能 Erot。

m = 13 kgv = 4 m/sI = (2/3)·m·r²
Erot = J
15.齿轮与齿轮系中等
N1​ = 20, m = 2 mm

一台 1.1 kW、转速 1440 rpm 的电动机驱动一个齿数为 20、模数为 2 mm 的小齿轮。求小齿轮齿上的切向力 Ft。

P = 1.1 kWn = 1440 rpmN1 = 20m = 2 mm
Ft = N
16.齿轮与齿轮系困难
A = 16B = 80C = 30D = 50

一台 3 kW、1440 rpm 的电动机驱动齿轮 A(16 齿),A 与齿轮 B(80 齿)啮合。与 B 同轴的齿轮 C(30 齿)驱动输出轴上的齿轮 D(50 齿)。每对齿轮啮合的效率为 98%。求输出转矩 Tout。

P = 3 kWnin = 1440 rpmA = 16B = 80C = 30D = 50ηmesh = 98%
Tout = N·m
17.弹簧与单摆中等
L = ?

要使单摆的周期为 2.9 s,摆长应为多少?取 g = 9.81 m/s²。求 L。

T = 2.9 sg = 9.81 m/s²
L = m
18.弹簧与单摆困难
0.5 kgk = 350 N/mA = 20 cm

一个 0.5 kg 的物体连在 k = 350 N/m 的弹簧上,从平衡位置拉开 20 cm 后释放。 求它的最大速度 vmax。

m = 0.5 kgk = 350 N/mA = 20 cm
vmax = m/s
19.机械振动中等
tx25 mm1 个周期18.3 mm

在有阻尼质量–弹簧系统的自由振动试验中,位移峰值 25 mm 之后一个周期出现峰值 18.3 mm。 求阻尼比 ζ。

x0 = 25 mmx1 = 18.3 mmn = 1
ζ =
20.机械振动困难
k1​ = 50k2​ = 60k3​ = 50m = 5 kg

一个 5 kg 的质量块悬挂在弹簧 k₃ = 50 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 = 50 kN/m 和 k₂ = 60 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 = 5 kgk1 = 50 kN/mk2 = 60 kN/mk3 = 50 kN/m
fn = Hz

3溶液

1.运动学

答案: s = 18.52 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 = 60/3.6 = 16.67 m/s

制动距离

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 16.67²/(2·7.5) = 18.52 m

答案

s = 18.52 m
2.运动学

答案: hmax = 44.73 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 = 17²/(2·9.81) = 14.73 m

离地面的高度

hmax = 30 + 14.73 = 44.73 m

答案

hmax = 44.73 m
3.牛顿定律

答案: a = 2.992 m/s²

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.

法向力

N = m·g − F·sin θ = 196.2 − 100·sin 25° = 153.9 N

水平方向的力

m·a = F·cos θ − μ·N = 90.63 − 30.79
a = 59.84/20 = 2.992 m/s²

答案

a = 2.992 m/s²
4.牛顿定律

答案: T = 133.3 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.

整个系统

a = (F − μ·(m1 + m2)·g)/(m1 + m2) = (150 − 17.66)/9 = 14.7 m/s²

单独分析后面的物块

T = m1·(a + μ·g) = 8·(14.7 + 1.962) = 133.3 N

答案

T = 133.3 N

两个物块的 μ 相同时,摩擦力被消去:T = F·m₁/(m₁ + m₂)。

5.抛体运动

答案: y = 33.07 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 = 32·cos 60° = 16 m/s
t = x/vx = 63/16 = 3.937 s

此时的高度

y = 27.71·3.937 − ½·9.81·3.937² = 33.07 m

答案

y = 33.07 m

球到达墙时已经在下落。

6.抛体运动

答案: t = 4.265 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 = 31·cos 15° = 29.94 m/s
vy = v0·sin θ = 31·sin 15° = 8.023 m/s

飞行时间

解 y(t) = h + vy·t − ½gt² = 0,取正根。

0 = 55 + 8.023·t − 4.905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (8.023 + √(64.37 + 1079))/9.81 = 4.265 s

答案

t = 4.265 s
7.圆周运动

答案: N = 8010 N

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.

顶点的受力

指向圆心(向下)为正。

m·g − N = m·v²/r
N = 1000·9.81 − 1000·12²/80 = 9810 − 1800 = 8010 N

答案

N = 8010 N

汽车感觉变轻了:路面向上的支持力小于其重量。

8.圆周运动

答案: Ntop = 150.1 N

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.

由能量守恒求速度

v² = 2·9.81·(8.4 − 2·2) = 86.33 m²/s²

受力

指向圆心为正。

N = m·v²/R − m·g = 4.5·86.33/2 − 44.15 = 150.1 N

答案

Ntop = 150.1 N
9.功和能

答案: T = 196.2 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。

最低点的速度

v² = 2gL(1 − cos θ) = 2·9.81·1.5·(1 − cos 60°) = 14.71 m²/s²

最低点的受力

m·g = 10·9.81 = 98.1 N
T = mg + mv²/L = 98.1 + 10·14.71/1.5 = 196.2 N

答案

T = 196.2 N

校核:T = mg(3 − 2cos θ) = 196.2 N。

10.功和能

答案: v = 12.13 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)。 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·(17.5 − 10) = 147.2 m²/s²
v = 12.13 m/s

答案

v = 12.13 m/s

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′2 = 5.714 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 = (2 − 5)/(2 + 5)·10 = −4.286 m/s
v′2 = 2·2/(2 + 5)·10 = 5.714 m/s

答案

v′2 = 5.714 m/s
12.动量与碰撞

答案: J = 21.6 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 + 24) = 21.6 N·s

答案

J = 21.6 N·s
13.刚体转动

答案: Pavg = 5.218 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·1700/60 = 178 rad/s

能量

E = ½·I·ω² = ½·13.5·178² = 213924 J

平均功率

Pavg = E/t = 213924/41 = 5218 W = 5.218 kW

答案

Pavg = 5.218 kW
14.刚体转动

答案: Erot = 69.33 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 = ½·13·4² = 104 J
Erot = ½·I·ω² = ½·0.6667·m·r²·(v/r)² = 0.6667·104 = 69.33 J

答案

Erot = 69.33 J
15.齿轮与齿轮系

答案: Ft = 364.7 N

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.

小齿轮上的转矩

ω = 2π·1440/60 = 150.8 rad/s
T = P/ω = 1100/150.8 = 7.295 N·m

分度圆直径

d = m·N = 2·20 = 40 mm

切向力

Ft = 2T/d = 2·7.295/0.04 = 364.7 N

答案

Ft = 364.7 N
16.齿轮与齿轮系

答案: Tout = 159.2 N·m

Gear trains: meshing gears have the same speed at the teeth, so n₁·N₁ = n₂·N₂: the gear with fewer teeth turns faster. Gears on one shaft turn at the same speed. Power is passed on (minus losses), so torque goes up when speed goes down: T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η, and P = T·ω with ω = 2π·n/60.

输出转速

nout = 1440·(16/80)·(30/50) = 172.8 rpm
ωout = 2π·172.8/60 = 18.1 rad/s

输出功率和转矩

Pout = 3000·0.98² = 2881 W
Tout = Pout/ωout = 2881/18.1 = 159.2 N·m

答案

Tout = 159.2 N·m
17.弹簧与单摆

答案: L = 2.09 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·(2.9/2π)² = 2.09 m

答案

L = 2.09 m
18.弹簧与单摆

答案: vmax = 5.292 m/s

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 = √(350/0.5) = 26.46 rad/s

最大速度

vmax = A·ω = 0.2·26.46 = 5.292 m/s

答案

vmax = 5.292 m/s
19.机械振动

答案: ζ = 0.04959

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。

对数衰减率

δ = (1/1)·ln(25/18.3) = 0.312

阻尼比

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0.312/√(39.48 + 0.09733) = 0.04959

答案

ζ = 0.04959
20.机械振动

答案: fn = 13.2 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 = 50 + 60 = 110 kN/m
keq = 110·50/(110 + 50) = 34.38 kN/m

固有频率

ωn = √(34375/5) = 82.92 rad/s
fn = 82.92/(2π) = 13.2 Hz

答案

fn = 13.2 Hz

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