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)4.762 s33.33

一辆以 120 km/h 行驶的汽车以 7 m/s² 的恒定减速度制动,直到停下。 求制动距离 s。

v₀ = 120 km/ha = −7 m/s²v = 0
s = m
2.运动学困难
v₀ = 13 m/s10 m

从离地面 10 m 高的屋顶边缘以 13 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 = 13 m/sh₀ = 10 mg = 9.81 m/s²
t = s
3.牛顿定律中等
箱子v₀ = 4 m/sμ = ?

一个箱子以 4 m/s 的初速度在水平地面上滑动,滑行 8.2 m 后停止。取 g = 9.81 m/s²。求动摩擦因数 μ。

v₀ = 4 m/sd = 8.2 mg = 9.81 m/s²
μ =
4.牛顿定律困难
m1​ = 1 kg2 kgμ = 0.2

水平桌面上一个 1 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 = 1 kgm2 = 2 kgμ = 0.2g = 9.81 m/s²
T = N
5.抛体运动中等
v0​ = 34 m/s60°x = ?

一个球 从平地上以高于水平面 60° 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 = 34 m/sθ = 60°g = 9.81 m/s²
x = m
6.抛体运动困难
h = 5 mv0​ = 21 m/s50°x = ?

一个球 从 5 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。求球落地前飞过的水平距离 x。

v0 = 21 m/sθ = 50°h = 5 mg = 9.81 m/s²
x = m
7.圆周运动中等
r = 30 mvmax​ = ?

一辆汽车通过半径为 30 m 的水平弯道。轮胎与路面之间的静摩擦因数为 0.7。取 g = 9.81 m/s²。求汽车不打滑地通过弯道的最大速度 vmax。

r = 30 mμs = 0.7g = 9.81 m/s²
vmax = m/s
8.圆周运动困难
r = 1.3 mv = 7.5 m/s

一个 1.7 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 7.5 m/s。取 g = 9.81 m/s²。求最低点处绳中的张力 T。

m = 1.7 kgr = 1.3 mv = 7.5 m/sg = 9.81 m/s²
T = N
9.功和能中等
25°d = 6 mμ = 0.25

一个 5 kg 的物块沿倾角 25° 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 = 5 kgθ = 25°μ = 0.25d = 6 mg = 9.81 m/s²
Wf = J
10.功和能困难
h = 11.3 mR = 2.5 mv = ?

一辆 5 kg 的小车从光滑轨道上 11.3 m 高处由静止释放,轨道通入一个半径为 2.5 m 的竖直圆环。 求小车在圆环顶点时的速度 v。

m = 5 kgh = 11.3 mR = 2.5 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
11.动量与碰撞中等
2 kg11 m/s5 kg

在无摩擦的导轨上,一个以 11 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。 求碰撞后第一个滑块的速度 v′1(以其原运动方向为正)。

m1 = 2 kgm2 = 5 kgv1 = 11 m/sv2 = 0
v′1 = m/s
12.动量与碰撞困难
11 m/s12 m/s

一个 0.6 kg 的小球以 11 m/s 撞到墙上,并以 12 m/s 沿原路弹回。接触时间为 5 ms。 求墙对小球的平均作用力 Favg。

m = 0.6 kgvin = 11 m/svout = 12 m/sΔt = 5 ms
Favg = N
13.刚体转动中等
10 kgaαM = 6 kgR = 0.25 m

一个 10 kg 的物块悬挂在绕过滑轮的轻绳上,滑轮是质量为 6 kg、半径为 0.25 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。 求物块的加速度 a。

m = 10 kgM = 6 kgR = 0.25 mg = 9.81 m/s²
a = m/s²
14.刚体转动困难
4.5 m/sω

一个质量为 17.5 kg 的实心球以 4.5 m/s 的速度无滑动地滚动。 转动动能占总动能的百分之几 p?

m = 17.5 kgv = 4.5 m/sI = (2/5)·m·r²
p = %
15.齿轮与齿轮系中等
N1​ = 45N2​ = 72

一台 0.75 kW 的电动机以 1440 rpm 运转,驱动一个齿数为 45 的小齿轮,小齿轮与一个齿数为 72 的大齿轮啮合。 该齿轮副的效率为 96%。 求齿轮轴上的输出扭矩 T2。

P = 0.75 kWn1 = 1440 rpmN1 = 45N2 = 72η = 96%
T2 = N·m
16.齿轮与齿轮系困难
A = 20B = 25C = 16D = 48

一台 15 kW、1440 rpm 的电动机驱动齿轮 A(20 齿),A 与齿轮 B(25 齿)啮合。与 B 同轴的齿轮 C(16 齿)驱动输出轴上的齿轮 D(48 齿)。每对齿轮啮合的效率为 96%。求输出转矩 Tout。

P = 15 kWnin = 1440 rpmA = 20B = 25C = 16D = 48ηmesh = 96%
Tout = N·m
17.弹簧与单摆中等
L = 1.3 mT = 3.71 s

一名宇航员在另一颗行星上发现,一个长 1.3 m 的单摆在小幅摆动时周期为 3.71 s。求该行星上的重力加速度 g。

L = 1.3 mT = 3.71 s
g = m/s²
18.弹簧与单摆困难
mk = 130 N/mA = 16 cmx = 6 cm

一个连在 k = 130 N/m 弹簧上的物体在无摩擦表面上以 16 cm 的振幅振动。 求它距平衡位置 6 cm 时的动能 K。

k = 130 N/mA = 16 cmx = 6 cm
K = J
19.机械振动中等
k = 12 kN/mc = 830 N·s/mm = 40 kg

一个 40 kg 的质量块由刚度为 12 kN/m 的弹簧和阻尼系数为 830 N·s/m 的黏性阻尼器支承。求阻尼比 ζ。

m = 40 kgk = 12 kN/mc = 830 N·s/m
ζ =
20.机械振动困难
k1​ = 100k2​ = 20k3​ = 20m = 50 kg

一个 50 kg 的质量块悬挂在弹簧 k₃ = 20 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 = 100 kN/m 和 k₂ = 20 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 = 50 kgk1 = 100 kN/mk2 = 20 kN/mk3 = 20 kN/m
fn = Hz

3溶液

1.运动学

答案: s = 79.37 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 = 120/3.6 = 33.33 m/s

制动距离

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 33.33²/(2·7) = 79.37 m

答案

s = 79.37 m
2.运动学

答案: t = 3.273 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。

−10 = 13·t − ½·9.81·t²
4.905·t² − 13·t − 10 = 0

解一元二次方程

只有正根有物理意义。

t = (13 + √(13² + 2·9.81·10))/9.81 = 3.273 s

答案

t = 3.273 s
3.牛顿定律

答案: μ = 0.09945

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) = 4²/(2·8.2) = 0.9756 m/s²

摩擦因数

μ·m·g = m·a → μ = a/g = 0.9756/9.81 = 0.09945

答案

μ = 0.09945
4.牛顿定律

答案: T = 7.848 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 − 1.962)/3 = 5.886 m/s²

由桌面上的物块求张力

T − μ·m1·g = m1·a
T = 1·5.886 + 1.962 = 7.848 N

答案

T = 7.848 N
5.抛体运动

答案: x = 102.1 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 = 34·cos 60° = 17 m/s
vy = v0·sin θ = 34·sin 60° = 29.44 m/s

飞行时间

起点与落点等高:t = 2vy/g。

t = 2·29.44/9.81 = 6.003 s

水平距离

x = vx·t = 17·6.003 = 102.1 m

答案

x = 102.1 m
6.抛体运动

答案: x = 48.13 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 = 21·cos 50° = 13.5 m/s
vy = v0·sin θ = 21·sin 50° = 16.09 m/s

飞行时间

解 y(t) = h + vy·t − ½gt² = 0,取正根。

0 = 5 + 16.09·t − 4.905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (16.09 + √(258.8 + 98.1))/9.81 = 3.566 s

水平距离

x = vx·t = 13.5·3.566 = 48.13 m

答案

x = 48.13 m
7.圆周运动

答案: vmax = 14.35 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) = √(0.7·9.81·30) = 14.35 m/s

答案

vmax = 14.35 m/s (51.67 km/h)
8.圆周运动

答案: T = 90.23 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 = 1.7·9.81 + 1.7·7.5²/1.3 = 16.68 + 73.56 = 90.23 N

答案

T = 90.23 N
9.功和能

答案: Wf = 66.68 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 = 49.05·0.9063 = 44.45 N
F = μN = 0.25·44.45 = 11.11 N

克服摩擦做的功

Wf = F·d = 11.11·6 = 66.68 J

答案

Wf = 66.68 J
10.功和能

答案: v = 11.12 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·(11.3 − 5) = 123.6 m²/s²
v = 11.12 m/s

答案

v = 11.12 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′1 = −4.714 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)·11 = −4.714 m/s
v′2 = 2·2/(2 + 5)·11 = 6.286 m/s

答案

v′1 = −4.714 m/s

负号表示第一个滑块被弹回。

12.动量与碰撞

答案: Favg = 2760 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·(12 + 11) = 13.8 N·s

平均作用力

Favg = J/Δt = 13.8/0.005 = 2760 N

答案

Favg = 2760 N
13.刚体转动

答案: a = 7.546 m/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) = 10·9.81/(10 + 3) = 7.546 m/s²

答案

a = 7.546 m/s²
14.刚体转动

答案: p = 28.57 %

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 = ½·17.5·4.5² = 177.2 J
Erot = ½·I·ω² = ½·0.4·m·r²·(v/r)² = 0.4·177.2 = 70.88 J

转动所占的份额

p = 70.88/248.1·100% = c/(1 + c)·100% = 28.57%

答案

p = 28.57 %

这个份额只取决于形状,与质量和速度无关。

15.齿轮与齿轮系

答案: T2 = 7.639 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 = 750/150.8 = 4.974 N·m

输出扭矩

T2 = 4.974·72/45·0.96 = 7.639 N·m

答案

T2 = 7.639 N·m
16.齿轮与齿轮系

答案: Tout = 343.8 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·(20/25)·(16/48) = 384 rpm
ωout = 2π·384/60 = 40.21 rad/s

输出功率和转矩

Pout = 15000·0.96² = 13824 W
Tout = Pout/ωout = 13824/40.21 = 343.8 N·m

答案

Tout = 343.8 N·m
17.弹簧与单摆

答案: g = 3.729 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 = 4π²·1.3/3.71² = 3.729 m/s²

答案

g = 3.729 m/s²
18.弹簧与单摆

答案: K = 1.43 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 = ½·130·0.16² = 1.664 J

x 处的弹簧能量

U = ½·k·x² = ½·130·0.06² = 0.234 J

动能

K = 1.664 − 0.234 = 1.43 J

答案

K = 1.43 J
19.机械振动

答案: ζ = 0.599

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·√(12000·40) = 1386 N·s/m

阻尼比

ζ = c/cc = 830/1386 = 0.599

答案

ζ = 0.599

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: fn = 2.947 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 = 100 + 20 = 120 kN/m
keq = 120·20/(120 + 20) = 17.14 kN/m

固有频率

ωn = √(17143/50) = 18.52 rad/s
fn = 18.52/(2π) = 2.947 Hz

答案

fn = 2.947 Hz

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