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)5.556 s22.22

一辆以 80 km/h 行驶的汽车以 4 m/s² 的恒定减速度制动,直到停下。 求制动距离 s。

v₀ = 80 km/ha = −4 m/s²v = 0
s = m
2.运动学困难
a = 38 m/s²

一枚模型火箭从静止竖直向上发射。其发动机使它获得 38 m/s² 的恒定向上加速度,持续 2 s,之后发动机停止,火箭做自由运动。忽略空气阻力,取 g = 9.81 m/s²。 发射后多长时间它落到地面?求 t。

a = 38 m/s²t1 = 2 sg = 9.81 m/s²
t = s
3.牛顿定律中等
θ = 35°a = ?m = 20 kg

一个 20 kg 的物块沿倾角为 35° 的斜面下滑。动摩擦因数为 0.2。 取 g = 9.81 m/s²。求物块沿斜面的加速度 a。

m = 20 kgθ = 35°μ = 0.2g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.牛顿定律困难
m1​ = 2 kg2 kgμ = 0.2

水平桌面上一个 2 kg 的物块通过跨过光滑滑轮的轻绳与一个悬挂的 2 kg 重物相连。 物块与桌面之间的动摩擦因数为 0.2。 取 g = 9.81 m/s²。 求绳中的张力 T。

m1 = 2 kgm2 = 2 kgμ = 0.2g = 9.81 m/s²
T = N
5.抛体运动中等
v0​ = ?30°R = 140 m

一个球从水平地面以与水平方向成 30° 的角度抛出,落在 140 m 远处。忽略空气阻力,取 g = 9.81 m/s²。求抛出速度 v0。

θ = 30°R = 140 mg = 9.81 m/s²
v0 = m/s
6.抛体运动困难
h = 55 mv0​ = 30 m/s15°x = ?

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。求球落地前飞过的水平距离 x。

v0 = 30 m/sθ = 15°h = 55 mg = 9.81 m/s²
x = m
7.圆周运动中等
r = 50 mvmax​ = ?

一辆汽车驶过路面上的一个凸起的顶部,凸起是半径为 50 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 = 50 mg = 9.81 m/s²
vmax = m/s
8.圆周运动困难
r = 1.4 mv = 7 m/s

一个 0.5 kg 的小球系在长 1.4 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 7 m/s。取 g = 9.81 m/s²。求最低点处绳中的张力 T。

m = 0.5 kgr = 1.4 mv = 7 m/sg = 9.81 m/s²
T = N
9.功和能中等
60 km/h

一辆汽车在水平路面上以 60 km/h 行驶,紧急制动后车轮抱死滑行至停止。轮胎与路面之间的动摩擦因数为 0.7。求制动距离 d。

v = 60 km/hμ = 0.7g = 9.81 m/s²
d = m
10.功和能困难
8 kg6 kgμ = 0.25d = 2.5 m

一个 8 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 6 kg 物块。系统由静止释放。求悬挂物块下降 2.5 m 后两物块的速度 v。

m1 = 8 kgm2 = 6 kgμ = 0.25d = 2.5 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
11.动量与碰撞中等
4.5 kgv = ?20 gh = 3 cm

一颗 20 g 的子弹水平射入一个用轻绳悬挂的 4.5 kg 木块,并留在其中。木块摆起,直到比初始位置高 3 cm。取 g = 9.81 m/s²。求子弹撞击前的速度 v。

m = 20 gM = 4.5 kgh = 3 cmg = 9.81 m/s²
v = m/s
12.动量与碰撞困难
1600 kgv1​ = ?1600 kg

一辆 1600 kg 的汽车撞上一辆停放的 1600 kg 汽车。两车残骸卡在一起,滑行 6.5 m 后停止。轮胎与路面之间的动摩擦因数为 0.8。取 g = 9.81 m/s²。求碰撞前瞬间第一辆汽车的速度 v1。

m1 = 1600 kgm2 = 1600 kgd = 6.5 mμ = 0.8g = 9.81 m/s²
v1 = m/s
13.刚体转动中等
n = 2400 rpmT = 1620 N·m

一台电动机在 2400 rpm 时输出 1620 N·m 的转矩。求它的输出功率 P,单位 kW。

T = 1620 N·mn = 2400 rpm
P = kW
14.刚体转动困难
圆盘: 5 kg圆环: 3 kgn1​ = 450 rpm

一个均匀实心圆盘(质量 5 kg,半径 0.15 m)绕无摩擦的竖直轴以 450 rpm 自由旋转。一个质量为 3 kg、半径相同的薄圆环从静止状态落到它上面,圆心对准转轴,两者很快一起旋转。 求它们共同的转速 n2,单位 rpm。

Mdisc = 5 kgMring = 3 kgR = 0.15 mn1 = 450 rpm
n2 = rpm
15.齿轮与齿轮系中等
N1​ = 16, m = 3 mm

一台 1.1 kW、转速 2900 rpm 的电动机驱动一个齿数为 16、模数为 3 mm 的小齿轮。求小齿轮齿上的切向力 Ft。

P = 1.1 kWn = 2900 rpmN1 = 16m = 3 mm
Ft = N
16.齿轮与齿轮系困难
d1​ = 200 mmd2​ = 315 mm720 rpmC = 600 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 600 mm。求小带轮上的包角 θ,单位为度。

d1 = 200 mmd2 = 315 mmC = 600 mm
θ = °
17.弹簧与单摆中等
L = 2.5 m

一个单摆的摆长为 2.5 m。取 g = 9.81 m/s²。求小角度摆动时的周期 T。

L = 2.5 mg = 9.81 m/s²
T = s
18.弹簧与单摆困难
3.8 kgk = 360 N/mA = 19 cm

一个 3.8 kg 的物体连在 k = 360 N/m 的弹簧上,从平衡位置拉开 19 cm 后释放。 求它的最大加速度 amax。

m = 3.8 kgk = 360 N/mA = 19 cm
amax = m/s²
19.机械振动中等
k = 20 kN/mc = 240 N·s/mm = 8 kg

一个 8 kg 的质量块由刚度为 20 kN/m 的弹簧和阻尼系数为 240 N·s/m 的黏性阻尼器支承。求阻尼比 ζ。

m = 8 kgk = 20 kN/mc = 240 N·s/m
ζ =
20.机械振动困难
k1​ = 25k2​ = 100m = 100 kg

一个 100 kg 的质量块悬挂在首尾相接(串联)的两根弹簧上:上弹簧 k₁ = 25 kN/m,下弹簧 k₂ = 100 kN/m。 求弹簧系统的等效刚度 keq,以 kN/m 计。

m = 100 kgk1 = 25 kN/mk2 = 100 kN/m
keq = kN/m

3溶液

1.运动学

答案: s = 61.73 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。

单位

v₀ = 80/3.6 = 22.22 m/s

制动距离

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 22.22²/(2·4) = 61.73 m

答案

s = 61.73 m
2.运动学

答案: t = 18.44 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.

动力阶段

v₁ = 38·2 = 76 m/s
h₁ = ½·38·2² = 76 m

落回地面的自由飞行

解 −h₁ = v₁·t₂ − ½·g·t₂²,取正根。

t₂ = (76 + √(76² + 2·9.81·76))/9.81 = 16.44 s
t = 2 + 16.44 = 18.44 s

答案

t = 18.44 s
3.牛顿定律

答案: a = 4.02 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 35° − 0.2·cos 35°) = 9.81·(0.5736 − 0.1638) = 4.02 m/s²

答案

a = 4.02 m/s²
4.牛顿定律

答案: T = 11.77 N

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) = (19.62 − 3.924)/4 = 3.924 m/s²

由桌面上的物块求张力

T − μ·m1·g = m1·a
T = 2·3.924 + 3.924 = 11.77 N

答案

T = 11.77 N
5.抛体运动

答案: v0 = 39.82 m/s

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.

从射程公式求 v₀

v₀ = √(g·R/sin 2θ) = √(9.81·140/sin 60°) = 39.82 m/s

答案

v0 = 39.82 m/s
6.抛体运动

答案: x = 122.6 m

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 15° = 28.98 m/s
vy = v0·sin θ = 30·sin 15° = 7.765 m/s

飞行时间

解 y(t) = h + vy·t − ½gt² = 0,取正根。

0 = 55 + 7.765·t − 4.905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (7.765 + √(60.29 + 1079))/9.81 = 4.232 s

水平距离

x = vx·t = 28.98·4.232 = 122.6 m

答案

x = 122.6 m
7.圆周运动

答案: vmax = 22.15 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) = √(9.81·50) = 22.15 m/s

答案

vmax = 22.15 m/s
(79.73 km/h)
8.圆周运动

答案: T = 22.41 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 = 0.5·9.81 + 0.5·7²/1.4 = 4.905 + 17.5 = 22.41 N

答案

T = 22.41 N
9.功和能

答案: d = 20.23 m

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)。

以基本单位表示的速度

v = 60/3.6 = 16.67 m/s

能量衡算

½mv² = μmg·d → d = v²/(2μg) = 16.67²/(2·0.7·9.81) = 20.23 m

答案

d = 20.23 m

速度加倍,制动距离变为四倍。

10.功和能

答案: v = 3.744 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 = 58.86·2.5 = 147.2 J
μ·m₁g·d = 0.25·78.48·2.5 = 49.05 J

两个物块的动能

½(m₁ + m₂)v² = 98.1 → v = √(2·98.1/14) = 3.744 m/s

答案

v = 3.744 m/s
11.动量与碰撞

答案: v = 173.4 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.

撞击后的摆动

V = √(2·g·h) = √(2·9.81·0.03) = 0.7672 m/s

碰撞

m·v = (m + M)·V → v = (0.02 + 4.5)·0.7672/0.02 = 173.4 m/s

答案

v = 173.4 m/s
12.动量与碰撞

答案: v1 = 20.2 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) = √(2·0.8·9.81·6.5) = 10.1 m/s

碰撞中的动量

m1·v1 = (m1 + m2)·V → v1 = 3200·10.1/1600 = 20.2 m/s

答案

v1 = 20.2 m/s
(72.72 km/h)
13.刚体转动

答案: P = 407.2 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·2400/60 = 251.3 rad/s

功率

P = T·ω = 1620·251.3 = 407150 W = 407.2 kW

答案

P = 407.2 kW
14.刚体转动

答案: n2 = 204.5 rpm

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.

转动惯量

I1 = ½·5·0.15² = 0.05625 kg·m²
I2 = 3·0.15² = 0.0675 kg·m²

角动量守恒

n2 = n1·I1/(I1 + I2) = 450·0.05625/0.1237 = 204.5 rpm

答案

n2 = 204.5 rpm
15.齿轮与齿轮系

答案: Ft = 150.9 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·2900/60 = 303.7 rad/s
T = P/ω = 1100/303.7 = 3.622 N·m

分度圆直径

d = m·N = 3·16 = 48 mm

切向力

Ft = 2T/d = 2·3.622/0.048 = 150.9 N

答案

Ft = 150.9 N
16.齿轮与齿轮系

答案: θ = 169 °

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(0.09583) = 5.499°

包角

θ = 180 − 2·5.499 = 169°

答案

θ = 169°
17.弹簧与单摆

答案: T = 3.172 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。

单摆周期

T = 2π·√(2.5/9.81) = 3.172 s

答案

T = 3.172 s
18.弹簧与单摆

答案: amax = 18 m/s²

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 = √(360/3.8) = 9.733 rad/s

最大加速度

amax = A·ω² = 0.19·9.733² = 18 m/s²

答案

amax = 18 m/s²
19.机械振动

答案: ζ = 0.3

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。

临界阻尼

cc = 2·√(k·m) = 2·√(20000·8) = 800 N·s/m

阻尼比

ζ = c/cc = 240/800 = 0.3

答案

ζ = 0.3

ζ < 1,所以系统为欠阻尼,在衰减的同时振荡。

20.机械振动

答案: keq = 20 kN/m

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 = 1/25 + 1/100 → keq = 25·100/(25 + 100) = 20 kN/m

答案

keq = 20 kN/m

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