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)2.5 s12.5

一辆以 45 km/h 行驶的汽车以 5 m/s² 的恒定减速度制动,直到停下。 求制动距离 s。

v₀ = 45 km/ha = −5 m/s²v = 0
s = m
2.运动学困难
v₀ = 6 m/s5 m

从离地面 5 m 高的屋顶边缘以 6 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。 抛出后多长时间小球落地?求 t。

v₀ = 6 m/sh₀ = 5 mg = 9.81 m/s²
t = s
3.牛顿定律中等
θ = 35°a = ?m = 11 kg

一个 11 kg 的物块沿倾角为 35° 的斜面下滑。动摩擦因数为 0.1。 取 g = 9.81 m/s²。求物块沿斜面的加速度 a。

m = 11 kgθ = 35°μ = 0.1g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.牛顿定律困难
m1​ = 4.5 kg3.5 kg无摩擦

水平桌面上一个 4.5 kg 的物块通过跨过光滑滑轮的轻绳与一个悬挂的 3.5 kg 重物相连。 桌面光滑。 取 g = 9.81 m/s²。 求系统的加速度 a。

m1 = 4.5 kgm2 = 3.5 kgμ = 0g = 9.81 m/s²
a = m/s²
5.抛体运动中等
v0​ = 40 m/s50°x = ?

一个球 从平地上以高于水平面 50° 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 = 40 m/sθ = 50°g = 9.81 m/s²
x = m
6.抛体运动困难
11 mv0​ = 29 m/s40°x = ?

一个球从地面以 29 m/s、与水平方向成 40° 的角度抛出。它在下落途中落在一栋 11 m 高的建筑的平屋顶上。忽略空气阻力,取 g = 9.81 m/s²。求从抛出点到落点的水平距离 x。

v₀ = 29 m/sθ = 40°hroof = 11 mg = 9.81 m/s²
x = m
7.圆周运动中等
r = 90 m12 m/s

一辆 1100 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 90 m 的圆弧。取 g = 9.81 m/s²。求顶部路面对汽车的法向力 N。

m = 1100 kgv = 12 m/sr = 90 mg = 9.81 m/s²
N = N
8.圆周运动困难
r = 1.4 mv = 8.5 m/s

一个 0.8 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 8.5 m/s。取 g = 9.81 m/s²。求最低点处绳中的张力 T。

m = 0.8 kgr = 1.4 mv = 8.5 m/sg = 9.81 m/s²
T = N
9.功和能中等
40°L = 1 m0.5 kg

一个 0.5 kg 的球挂在长 1 m 的轻绳上。把它拉向一侧,使绳与竖直方向成 40°,然后从静止释放。求球经过最低点时绳中的拉力 T。

m = 0.5 kgL = 1 mθ = 40°g = 9.81 m/s²
T = N
10.功和能困难
3 kg5 kgμ = 0.1d = 1 m

一个 3 kg 的物块放在粗糙的水平桌面上(μ = 0.1)。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 = 3 kgm2 = 5 kgμ = 0.1d = 1 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
11.动量与碰撞中等
4.5 kgv = ?8 gh = 20 cm

一颗 8 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 20 cm。取 g = 9.81 m/s²。求子弹撞击前的速度 v。

m = 8 gM = 4.5 kgh = 20 cmg = 9.81 m/s²
v = m/s
12.动量与碰撞困难
25 m/s13 m/s

一个 0.5 kg 的小球以 25 m/s 撞到墙上,并以 13 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 = 0.5 kgvin = 25 m/svout = 13 m/sΔt = 10 ms
J = N·s
13.刚体转动中等
14.5 kgaαM = 18 kgR = 0.4 m

一个 14.5 kg 的物块悬挂在绕过滑轮的轻绳上,滑轮是质量为 18 kg、半径为 0.4 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。 求滑轮的角加速度 α。

m = 14.5 kgM = 18 kgR = 0.4 mg = 9.81 m/s²
α = rad/s²
14.刚体转动困难
θ = 25°vs = 5 m

一个空心球从静止开始,沿与水平面成 25° 的斜面无滑动地滚下。取 g = 9.81 m/s²。 它的半径为 0.35 m。求它沿斜面滚过 5 m 后的角速度 ω。

θ = 25°s = 5 mI = (2/3)·m·r²g = 9.81 m/s²r = 0.35 m
ω = rad/s
15.齿轮与齿轮系中等
N1​ = 30N2​ = 80

一台 1.5 kW 的电动机以 1440 rpm 运转,驱动一个齿数为 30 的小齿轮,小齿轮与一个齿数为 80 的大齿轮啮合。 该齿轮副的效率为 95%。 求电动机轴上的扭矩 T1。

P = 1.5 kWn1 = 1440 rpmN1 = 30N2 = 80η = 95%
T1 = N·m
16.齿轮与齿轮系困难
A = 18B = 50C = 24D = 48

在一个复合轮系中,输入轴上的齿轮 A(18 齿)以 1500 rpm 转动,驱动齿轮 B(50 齿)。齿轮 C(24 齿)与 B 固定在同一根轴上,驱动输出轴上的齿轮 D(48 齿)。求输出转速 nout。

nin = 1500 rpmA = 18B = 50C = 24D = 48
nout = rpm
17.弹簧与单摆中等
L = 2.4 m

一个单摆的摆长为 2.4 m。取 g = 9.81 m/s²。求小角度摆动时的周期 T。

L = 2.4 mg = 9.81 m/s²
T = s
18.弹簧与单摆困难
3.6 kgk = 20 N/mA = 14 cm

一个 3.6 kg 的物体连在 k = 20 N/m 的弹簧上,从平衡位置拉开 14 cm 后释放。 求振动的总能量 E。

m = 3.6 kgk = 20 N/mA = 14 cm
E = J
19.机械振动中等
tx15 mm5 个周期0.6 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 5 个周期出现峰值 0.6 mm。 求阻尼比 ζ。

x0 = 15 mmx5 = 0.6 mmn = 5
ζ =
20.机械振动困难
k1​ = 20k2​ = 12k3​ = 100m = 100 kg

一个 100 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 = 20 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 = 100 kgk1 = 20 kN/mk2 = 12 kN/mk3 = 100 kN/m
fn = Hz

3溶液

1.运动学

答案: s = 15.63 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 = 45/3.6 = 12.5 m/s

制动距离

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 12.5²/(2·5) = 15.63 m

答案

s = 15.63 m
2.运动学

答案: t = 1.792 s

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。

运动方程

向上为正,地面在出发点下方 h₀ 处。

−5 = 6·t − ½·9.81·t²
4.905·t² − 6·t − 5 = 0

解一元二次方程

只有正根有物理意义。

t = (6 + √(6² + 2·9.81·5))/9.81 = 1.792 s

答案

t = 1.792 s
3.牛顿定律

答案: a = 4.823 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° − 0.1·cos 35°) = 9.81·(0.5736 − 0.08192) = 4.823 m/s²

答案

a = 4.823 m/s²
4.牛顿定律

答案: a = 4.292 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) = (34.34 − 0)/8 = 4.292 m/s²

答案

a = 4.292 m/s²
5.抛体运动

答案: x = 160.6 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 = 40·cos 50° = 25.71 m/s
vy = v0·sin θ = 40·sin 50° = 30.64 m/s

飞行时间

起点与落点等高:t = 2vy/g。

t = 2·30.64/9.81 = 6.247 s

水平距离

x = vx·t = 25.71·6.247 = 160.6 m

答案

x = 160.6 m
6.抛体运动

答案: x = 68.2 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.

分解初速度

vx = 22.22 m/s, vy = 18.64 m/s

落到屋顶的时间

较大的根:球正在下降。

11 = 18.64·t − 4.905·t²
t = (18.64 + √(18.64² − 2·9.81·11))/9.81 = 3.07 s

水平距离

x = vx·t = 22.22·3.07 = 68.2 m

答案

x = 68.2 m
7.圆周运动

答案: N = 9031 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 = 1100·9.81 − 1100·12²/90 = 10791 − 1760 = 9031 N

答案

N = 9031 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: T = 49.13 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 = 0.8·9.81 + 0.8·8.5²/1.4 = 7.848 + 41.29 = 49.13 N

答案

T = 49.13 N
9.功和能

答案: T = 7.2 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·(1 − cos 40°) = 4.59 m²/s²

最低点的受力

m·g = 0.5·9.81 = 4.905 N
T = mg + mv²/L = 4.905 + 0.5·4.59/1 = 7.2 N

答案

T = 7.2 N

校核:T = mg(3 − 2cos θ) = 7.2 N。

10.功和能

答案: v = 3.395 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 = 0.1·29.43·1 = 2.943 J

两个物块的动能

½(m₁ + m₂)v² = 46.11 → v = √(2·46.11/8) = 3.395 m/s

答案

v = 3.395 m/s
11.动量与碰撞

答案: v = 1116 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 = (0.008 + 4.5)·1.981/0.008 = 1116 m/s

答案

v = 1116 m/s
12.动量与碰撞

答案: J = 19 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 = 0.5·(13 + 25) = 19 N·s

答案

J = 19 N·s
13.刚体转动

答案: α = 15.13 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.

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) = 14.5·9.81/(14.5 + 9) = 6.053 m/s²

角加速度

α = a/R = 6.053/0.4 = 15.13 rad/s²

答案

α = 15.13 rad/s²
14.刚体转动

答案: ω = 14.25 rad/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 = 5·sin 25° = 2.113 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 + 0.6667)
v = √(2·9.81·2.113/1.667) = 4.988 m/s
ω = v/r = 4.988/0.35 = 14.25 rad/s

答案

ω = 14.25 rad/s
15.齿轮与齿轮系

答案: T1 = 9.947 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·1440/60 = 150.8 rad/s
T1 = P/ω₁ = 1500/150.8 = 9.947 N·m

答案

T1 = 9.947 N·m
16.齿轮与齿轮系

答案: nout = 270 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 = 1500·18/50 = 540 rpm = nC

第二级

nout = 540·24/48 = 270 rpm

答案

nout = 270 rpm

总传动比 = 5.556 : 1

17.弹簧与单摆

答案: T = 3.108 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·√(2.4/9.81) = 3.108 s

答案

T = 3.108 s
18.弹簧与单摆

答案: E = 0.196 J

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 = √(20/3.6) = 2.357 rad/s

能量

E = ½·k·A² = ½·20·0.14² = 0.196 J

答案

E = 0.196 J
19.机械振动

答案: ζ = 0.1019

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 = (1/5)·ln(15/0.6) = 0.6438

阻尼比

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0.6438/√(39.48 + 0.4144) = 0.1019

答案

ζ = 0.1019
20.机械振动

答案: fn = 2.478 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 = 20 + 12 = 32 kN/m
keq = 32·100/(32 + 100) = 24.24 kN/m

固有频率

ωn = √(24242/100) = 15.57 rad/s
fn = 15.57/(2π) = 2.478 Hz

答案

fn = 2.478 Hz

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