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
a = 3.25 m/s²s = 1600 m

一架飞机从静止开始,以 3.25 m/s² 沿跑道匀加速。求它滑行 1600 m 后的速度 v。

v₀ = 0a = 3.25 m/s²s = 1600 m
v = m/s
2.运动学困难
v₀ = 20 m/s30 m

从离地面 30 m 高的屋顶边缘以 20 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 = 20 m/sh₀ = 30 mg = 9.81 m/s²
hmax = m
3.牛顿定律中等
30 kg25°F = 160 Nμ = 0.3

一个 30 kg 的雪橇被一根与水平方向成 25° 向上的绳子以 160 N 的力拉着在平坦的雪地上移动。动摩擦因数为 0.3。取 g = 9.81 m/s²。求雪橇的加速度 a。

m = 30 kgF = 160 Nθ = 25°μ = 0.3g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.牛顿定律困难
m1​ = 7.5 kg1.5 kgμ = 0.1

水平桌面上一个 7.5 kg 的物块通过跨过光滑滑轮的轻绳与一个悬挂的 1.5 kg 重物相连。 物块与桌面之间的动摩擦因数为 0.1。 取 g = 9.81 m/s²。 求系统的加速度 a。

m1 = 7.5 kgm2 = 1.5 kgμ = 0.1g = 9.81 m/s²
a = m/s²
5.抛体运动中等
v0​ = 34 m/sθ = ?R = 80 m

一个球从水平地面以 34 m/s 抛出,必须落在 80 m 远处。忽略空气阻力,取 g = 9.81 m/s²。求两个可能的抛射角中较小的一个 θ。

v₀ = 34 m/sR = 80 mg = 9.81 m/s²
θ = °
6.抛体运动困难
h = 35 mv0​ = 11 m/s30°x = ?

一个球 从 35 m 高的悬崖顶上以高于水平面 30° 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 = 11 m/sθ = 30°h = 35 mg = 9.81 m/s²
x = m
7.圆周运动中等
L = 0.6 m35°

一个系在长 0.6 m 绳上的小球做水平圆周运动,绳与竖直方向保持 35° 的恒定夹角(圆锥摆)。取 g = 9.81 m/s²。 求小球的速度 v。

L = 0.6 mθ = 35°g = 9.81 m/s²
v = m/s
8.圆周运动困难
R = 7 mh = 29.4 m

一辆 5 kg 的小车在无摩擦轨道上从 29.4 m 高处由静止释放,驶过一个半径为 7 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 = 5 kgh = 29.4 mR = 7 mg = 9.81 m/s²
Ntop = N
9.功和能中等
35°d = 6 mμ = 0.25

一个 2 kg 的物块沿倾角 35° 的斜面下滑 6 m,动摩擦因数为 0.25。求克服摩擦做的功 Wf。

m = 2 kgθ = 35°μ = 0.25d = 6 mg = 9.81 m/s²
Wf = J
10.功和能困难
5 kg5 kgμ = 0.25d = 1 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 5 kg 物块。系统由静止释放。求悬挂物块下降 1 m 后两物块的速度 v。

m1 = 5 kgm2 = 5 kgμ = 0.25d = 1 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
11.动量与碰撞中等
2.5 kgv = ?20 gh = 20 cm

一颗 20 g 的子弹水平射入一个用轻绳悬挂的 2.5 kg 木块,并留在其中。木块摆起,直到比初始位置高 20 cm。取 g = 9.81 m/s²。求子弹撞击前的速度 v。

m = 20 gM = 2.5 kgh = 20 cmg = 9.81 m/s²
v = m/s
12.动量与碰撞困难
8 m/s4 m/s

一个 0.55 kg 的小球以 8 m/s 撞到墙上,并以 4 m/s 沿原路弹回。接触时间为 40 ms。 求墙给小球的冲量大小 J。

m = 0.55 kgvin = 8 m/svout = 4 m/sΔt = 40 ms
J = N·s
13.刚体转动中等
L = 2.5 mm = 18 kgα

质量为 18 kg、长为 2.5 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。 求释放瞬间的角加速度 α。

m = 18 kgL = 2.5 mg = 9.81 m/s²
α = rad/s²
14.刚体转动困难
θ = 20°vs = 3.5 m

一个薄圆环从静止开始,沿与水平面成 20° 的斜面无滑动地滚下。取 g = 9.81 m/s²。 求它沿斜面滚过 3.5 m 后的速度 v。

θ = 20°s = 3.5 mI = m·r²g = 9.81 m/s²
v = m/s
15.齿轮与齿轮系中等
N1​ = 20N2​ = 30

一台 3 kW 的电动机以 1450 rpm 运转,驱动一个齿数为 20 的小齿轮,小齿轮与一个齿数为 30 的大齿轮啮合。 该齿轮副的效率为 97%。 求齿轮轴上的输出扭矩 T2。

P = 3 kWn1 = 1450 rpmN1 = 20N2 = 30η = 97%
T2 = N·m
16.齿轮与齿轮系困难
A = 36B = 50C = 32D = 72

一台 1.5 kW、1440 rpm 的电动机驱动齿轮 A(36 齿),A 与齿轮 B(50 齿)啮合。与 B 同轴的齿轮 C(32 齿)驱动输出轴上的齿轮 D(72 齿)。每对齿轮啮合的效率为 96%。求输出转矩 Tout。

P = 1.5 kWnin = 1440 rpmA = 36B = 50C = 32D = 72ηmesh = 96%
Tout = N·m
17.弹簧与单摆中等
t (s)x (cm)0.3 s

一个连在 k = 370 N/m 弹簧上的 3.1 kg 物体被沿正方向拉开 3 cm,在 t = 0 时由静止释放。 求 t = 0.3 s 时它相对于平衡位置的位移 x(带符号)。

m = 3.1 kgk = 370 N/mA = 3 cmt = 0.3 s
x = cm
18.弹簧与单摆困难
mk = 60 N/mA = 8 cmx = 3 cm

一个连在 k = 60 N/m 弹簧上的物体在无摩擦表面上以 8 cm 的振幅振动。 求它距平衡位置 3 cm 时的动能 K。

k = 60 N/mA = 8 cmx = 3 cm
K = J
19.机械振动中等
tx15 mm1 个周期5.8 mm

在有阻尼质量–弹簧系统的自由振动试验中,位移峰值 15 mm 之后一个周期出现峰值 5.8 mm。 求阻尼比 ζ。

x0 = 15 mmx1 = 5.8 mmn = 1
ζ =
20.机械振动困难
k1​ = 50k2​ = 12k3​ = 100m = 40 kg

一个 40 kg 的质量块悬挂在弹簧 k₃ = 100 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 = 12 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 = 40 kgk1 = 50 kN/mk2 = 12 kN/mk3 = 100 kN/m
fn = Hz

3溶液

1.运动学

答案: v = 102 m/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.

经过该距离后的速度

v = √(2·a·s) = √(2·3.25·1600) = 102 m/s

答案

v = 102 m/s
(367.1 km/h)
2.运动学

答案: hmax = 50.39 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 = 20²/(2·9.81) = 20.39 m

离地面的高度

hmax = 30 + 20.39 = 50.39 m

答案

hmax = 50.39 m
3.牛顿定律

答案: a = 2.567 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 = 294.3 − 160·sin 25° = 226.7 N

水平方向的力

m·a = F·cos θ − μ·N = 145 − 68
a = 77/30 = 2.567 m/s²

答案

a = 2.567 m/s²
4.牛顿定律

答案: a = 0.8175 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。

系统的加速度

a = (m2·g − μ·m1·g)/(m1 + m2) = (14.71 − 7.357)/9 = 0.8175 m/s²

答案

a = 0.8175 m/s²
5.抛体运动

答案: θ = 21.38 °

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.

射程公式

R = v₀²·sin 2θ/g → sin 2θ = 9.81·80/34² = 0.6789

相角

2θ = 42.76° → θ = 21.38°

答案

θ = 21.38°

另一个解为 90° − θ = 68.62°。

6.抛体运动

答案: x = 31.34 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 = 11·cos 30° = 9.526 m/s
vy = v0·sin θ = 11·sin 30° = 5.5 m/s

飞行时间

解 y(t) = h + vy·t − ½gt² = 0,取正根。

0 = 35 + 5.5·t − 4.905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (5.5 + √(30.25 + 686.7))/9.81 = 3.29 s

水平距离

x = vx·t = 9.526·3.29 = 31.34 m

答案

x = 31.34 m
7.圆周运动

答案: v = 1.538 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.

圆的半径

r = L·sin θ = 0.6·sin 35° = 0.3441 m

速率

拉力和重力共同提供向心的力:tan θ = v²/(r·g)。

v = √(r·g·tan θ) = √(0.3441·9.81·tan 35°) = 1.538 m/s

答案

v = 1.538 m/s
8.圆周运动

答案: Ntop = 166.8 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·(29.4 − 2·7) = 302.1 m²/s²

受力

指向圆心为正。

N = m·v²/R − m·g = 5·302.1/7 − 49.05 = 166.8 N

答案

Ntop = 166.8 N
9.功和能

答案: Wf = 24.11 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 = 19.62·0.8192 = 16.07 N
F = μN = 0.25·16.07 = 4.018 N

克服摩擦做的功

Wf = F·d = 4.018·6 = 24.11 J

答案

Wf = 24.11 J
10.功和能

答案: v = 2.712 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 = 49.05·1 = 49.05 J
μ·m₁g·d = 0.25·49.05·1 = 12.26 J

两个物块的动能

½(m₁ + m₂)v² = 36.79 → v = √(2·36.79/10) = 2.712 m/s

答案

v = 2.712 m/s
11.动量与碰撞

答案: v = 249.6 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) = √(2·9.81·0.2) = 1.981 m/s

碰撞

m·v = (m + M)·V → v = (0.02 + 2.5)·1.981/0.02 = 249.6 m/s

答案

v = 249.6 m/s
12.动量与碰撞

答案: J = 6.6 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 = 0.55·(4 + 8) = 6.6 N·s

答案

J = 6.6 N·s
13.刚体转动

答案: α = 5.886 rad/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/(2·2.5) = 5.886 rad/s²

答案

α = 5.886 rad/s²
14.刚体转动

答案: v = 3.427 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 = 3.5·sin 20° = 1.197 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 + 1)
v = √(2·9.81·1.197/2) = 3.427 m/s

答案

v = 3.427 m/s
15.齿轮与齿轮系

答案: T2 = 28.75 N·m

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。

电动机扭矩

ω₁ = 2π·1450/60 = 151.8 rad/s
T1 = P/ω₁ = 3000/151.8 = 19.76 N·m

输出扭矩

T2 = 19.76·30/20·0.97 = 28.75 N·m

答案

T2 = 28.75 N·m
16.齿轮与齿轮系

答案: Tout = 28.65 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·(36/50)·(32/72) = 460.8 rpm
ωout = 2π·460.8/60 = 48.25 rad/s

输出功率和转矩

Pout = 1500·0.96² = 1382 W
Tout = Pout/ωout = 1382/48.25 = 28.65 N·m

答案

Tout = 28.65 N·m
17.弹簧与单摆

答案: x = −2.972 cm

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 = √(370/3.1) = 10.92 rad/s
ω·t = 10.92·0.3 = 3.277 rad

位移

x = A·cos(ω·t) = 3·cos(3.277) = −2.972 cm

答案

x = −2.972 cm
18.弹簧与单摆

答案: K = 0.165 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 = ½·60·0.08² = 0.192 J

x 处的弹簧能量

U = ½·k·x² = ½·60·0.03² = 0.027 J

动能

K = 0.192 − 0.027 = 0.165 J

答案

K = 0.165 J
19.机械振动

答案: ζ = 0.1495

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(15/5.8) = 0.9502

阻尼比

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0.9502/√(39.48 + 0.9029) = 0.1495

答案

ζ = 0.1495
20.机械振动

答案: fn = 4.923 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 + 12 = 62 kN/m
keq = 62·100/(62 + 100) = 38.27 kN/m

固有频率

ωn = √(38272/40) = 30.93 rad/s
fn = 30.93/(2π) = 4.923 Hz

答案

fn = 4.923 Hz

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