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)t = ?15

一辆以 54 km/h 行驶的汽车以 5.5 m/s² 的恒定减速度制动,直到停下。 制动需要多长时间?求 t。

v₀ = 54 km/ha = −5.5 m/s²v = 0
t = s
2.运动学困难
a = 24 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 24 m/s² 的恒定向上加速度,持续 3 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。 求火箭达到的最大高度 hmax。

a = 24 m/s²t1 = 3 sg = 9.81 m/s²
hmax = m
3.牛顿定律中等
θ = 30°a = ?m = 18 kg

一个 18 kg 的物块沿倾角为 30° 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 = 18 kgθ = 30°μ = 0.1g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.牛顿定律困难
m1​ = 7 kg5 kgμ = 0.3

水平桌面上一个 7 kg 的物块通过跨过光滑滑轮的轻绳与一个悬挂的 5 kg 重物相连。 物块与桌面之间的动摩擦因数为 0.3。 取 g = 9.81 m/s²。 求绳中的张力 T。

m1 = 7 kgm2 = 5 kgμ = 0.3g = 9.81 m/s²
T = N
5.抛体运动中等
v0​ = ?35°R = 105 m

一个球从水平地面以与水平方向成 35° 的角度抛出,落在 105 m 远处。忽略空气阻力,取 g = 9.81 m/s²。求抛出速度 v0。

θ = 35°R = 105 mg = 9.81 m/s²
v0 = m/s
6.抛体运动困难
h = 35 mv0​ = 30 m/s40°H = ?

一个球从 35 m 高的悬崖顶部以 30 m/s、与水平方向成 40° 的角度抛出。忽略空气阻力,取 g = 9.81 m/s²。求它高出悬崖脚下地面的最大高度 H。

v₀ = 30 m/sθ = 40°h = 35 mg = 9.81 m/s²
H = m
7.圆周运动中等
r = 60 m14 m/s

一辆 900 kg 的汽车以 14 m/s 驶过路面上的一个凸起的顶部。凸起的顶部是半径为 60 m 的圆弧。取 g = 9.81 m/s²。求顶部路面对汽车的法向力 N。

m = 900 kgv = 14 m/sr = 60 mg = 9.81 m/s²
N = N
8.圆周运动困难
r = 0.8 mv = 6.5 m/s

一个 0.5 kg 的小球系在长 0.8 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 6.5 m/s。取 g = 9.81 m/s²。求最低点处绳中的张力 T。

m = 0.5 kgr = 0.8 mv = 6.5 m/sg = 9.81 m/s²
T = N
9.功和能中等
60°L = 0.8 m5 kg

一个 5 kg 的球挂在长 0.8 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 = 5 kgL = 0.8 mθ = 60°g = 9.81 m/s²
T = N
10.功和能困难
F = 70 N35°μ = 0.28 kg

一个 8 kg 的物块从 35° 斜坡的底部由静止开始,被一个平行于斜坡、大小为 70 N 的恒力沿斜坡向上拉。动摩擦因数为 0.2。求物块沿斜坡向上移动 5 m 后的速度 v。

m = 8 kgF = 70 Nθ = 35°μ = 0.2d = 5 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
11.动量与碰撞中等
700 kg20 m/s1100 kg

一辆以 20 m/s 行驶的 700 kg 汽车撞上一辆静止的 1100 kg 汽车,两车卡在一起。 碰撞中损失了多少动能 ΔK?

m1 = 700 kgv1 = 20 m/sm2 = 1100 kgv2 = 0
ΔK = J
12.动量与碰撞困难
19 m/s18 m/s

一个 0.45 kg 的小球以 19 m/s 撞到墙上,并以 18 m/s 沿原路弹回。接触时间为 10 ms。 求墙对小球的平均作用力 Favg。

m = 0.45 kgvin = 19 m/svout = 18 m/sΔt = 10 ms
Favg = N
13.刚体转动中等
v = ?3.5 kgL = 2 mm = 10 kg

质量为 10 kg、长为 2 m 的均匀细杆一端铰接,在水平位置从静止释放。 一个质量为 3.5 kg 的小球固定在它的自由端。 忽略摩擦,取 g = 9.81 m/s²。 求杆摆过竖直位置时自由端的速度 v。

m = 10 kgL = 2 mmball = 3.5 kgg = 9.81 m/s²
v = m/s
14.刚体转动困难
θ = 20°a

一个空心球沿与水平面成 20° 的斜面无滑动地滚下。取 g = 9.81 m/s²。 求防止它打滑所需的最小静摩擦因数 μs。

θ = 20°I = (2/3)·m·r²g = 9.81 m/s²
μs =
15.齿轮与齿轮系中等
N1​ = 16, m = 2 mm

一台 2.2 kW、转速 2900 rpm 的电动机驱动一个齿数为 16、模数为 2 mm 的小齿轮。求小齿轮齿上的切向力 Ft。

P = 2.2 kWn = 2900 rpmN1 = 16m = 2 mm
Ft = N
16.齿轮与齿轮系困难
A = 40B = 80C = 20D = 24

在一个复合轮系中,输入轴上的齿轮 A(40 齿)以 3000 rpm 转动,驱动齿轮 B(80 齿)。齿轮 C(20 齿)与 B 固定在同一根轴上,驱动输出轴上的齿轮 D(24 齿)。求输出转速 nout。

nin = 3000 rpmA = 40B = 80C = 20D = 24
nout = rpm
17.弹簧与单摆中等
3.3 kgk = 440 N/mA = 12 cmx = 11 cm

一个连在 k = 440 N/m 弹簧上的 3.3 kg 物体在无摩擦表面上以 12 cm 的振幅振动。求它距平衡位置 11 cm 时的速度 v。

m = 3.3 kgk = 440 N/mA = 12 cmx = 11 cm
v = m/s
18.弹簧与单摆困难
3.1 kgk = 230 N/mA = 4 cm

一个 3.1 kg 的物体连在 k = 230 N/m 的弹簧上,从平衡位置拉开 4 cm 后释放。 求振动的总能量 E。

m = 3.1 kgk = 230 N/mA = 4 cm
E = J
19.机械振动中等
tx40 mm3 个周期15.6 mm

在有阻尼质量–弹簧系统的自由振动试验中,位移峰值 40 mm 之后 3 个周期出现峰值 15.6 mm。 求阻尼比 ζ。

x0 = 40 mmx3 = 15.6 mmn = 3
ζ =
20.机械振动困难
k1​ = 15k2​ = 60m = 5 kg

一个 5 kg 的质量块悬挂在首尾相接(串联)的两根弹簧上:上弹簧 k₁ = 15 kN/m,下弹簧 k₂ = 60 kN/m。 求弹簧系统的等效刚度 keq,以 kN/m 计。

m = 5 kgk1 = 15 kN/mk2 = 60 kN/m
keq = kN/m

3溶液

1.运动学

答案: t = 2.727 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。

单位

v₀ = 54/3.6 = 15 m/s

制动时间

0 = v₀ − a·t → t = v₀/a = 15/5.5 = 2.727 s

答案

t = 2.727 s
2.运动学

答案: hmax = 372.2 m

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 = 24·3 = 72 m/s
h₁ = ½·24·3² = 108 m

向上的自由飞行

在最高点速度为零。

Δh = v₁²/(2g) = 72²/(2·9.81) = 264.2 m
hmax = 108 + 264.2 = 372.2 m

答案

hmax = 372.2 m
3.牛顿定律

答案: a = 4.055 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 30° − 0.1·cos 30°) = 9.81·(0.5 − 0.0866) = 4.055 m/s²

答案

a = 4.055 m/s²
4.牛顿定律

答案: T = 37.2 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) = (49.05 − 20.6)/12 = 2.371 m/s²

由桌面上的物块求张力

T − μ·m1·g = m1·a
T = 7·2.371 + 20.6 = 37.2 N

答案

T = 37.2 N
5.抛体运动

答案: v0 = 33.11 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) = √(9.81·105/sin 70°) = 33.11 m/s

答案

v0 = 33.11 m/s
6.抛体运动

答案: H = 53.95 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.

竖直方向的初速度

vy = 30·sin 40° = 19.28 m/s

高出悬崖的上升高度

Δh = vy²/(2g) = 19.28²/(2·9.81) = 18.95 m

离地面的高度

H = 35 + 18.95 = 53.95 m

答案

H = 53.95 m
7.圆周运动

答案: N = 5889 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 = 900·9.81 − 900·14²/60 = 8829 − 2940 = 5889 N

答案

N = 5889 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 = 31.31 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 + 0.5·6.5²/0.8 = 4.905 + 26.41 = 31.31 N

答案

T = 31.31 N
9.功和能

答案: T = 98.1 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) = 2·9.81·0.8·(1 − cos 60°) = 7.848 m²/s²

最低点的受力

m·g = 5·9.81 = 49.05 N
T = mg + mv²/L = 49.05 + 5·7.848/0.8 = 98.1 N

答案

T = 98.1 N

校核:T = mg(3 − 2cos θ) = 98.1 N。

10.功和能

答案: v = 3.894 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)。

沿斜面方向的力

m·g = 8·9.81 = 78.48 N
mg·sin θ = 45.01 N
μ·mg·cos θ = 12.86 N

功–能关系

½mv² = (70 − 57.87)·5 = 60.64 J
v = √(2·60.64/8) = 3.894 m/s

答案

v = 3.894 m/s
11.动量与碰撞

答案: ΔK = 85556 J

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.

共同速度

v′ = m1·v1/(m1 + m2) = 700·20/1800 = 7.778 m/s

碰撞前后的动能

Kbefore = ½·700·20² = 140000 J
Kafter = ½·1800·7.778² = 54444 J

损失的能量

ΔK = 140000 − 54444 = 85556 J

答案

ΔK = 85556 J

损失的能量转化为形变、热和声音。

12.动量与碰撞

答案: Favg = 1665 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 = 0.45·(18 + 19) = 16.65 N·s

平均作用力

Favg = J/Δt = 16.65/0.01 = 1665 N

答案

Favg = 1665 N
13.刚体转动

答案: v = 6.986 m/s

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.

势能的减少

m·g·L/2 + mball·g·L = 10·9.81·1 + 3.5·9.81·2 = 166.8 J

对销钉的转动惯量

IO = m·L²/3 + mball·L² = 13.33 + 14 = 27.33 kg·m²

能量衡算

½·IO·ω² = 166.8 → ω = √(2·166.8/27.33) = 3.493 rad/s
v = ω·L = 3.493·2 = 6.986 m/s

答案

v = 6.986 m/s
14.刚体转动

答案: μs = 0.1456

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.

运动方程

m·g·sin θ − f = m·a
f·r = I·α = 0.6667·m·r²·(a/r) → f = 0.6667·m·a

加速度

a = g·sin θ/(1 + c) = 9.81·sin 20°/1.667 = 2.013 m/s²

所需的摩擦

f = c·m·a ≤ μ·m·g·cos θ → μ ≥ c·tan θ/(1 + c)
μs = 0.6667·tan 20°/1.667 = 0.1456

答案

μs = 0.1456
15.齿轮与齿轮系

答案: Ft = 452.8 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 = 2200/303.7 = 7.244 N·m

分度圆直径

d = m·N = 2·16 = 32 mm

切向力

Ft = 2T/d = 2·7.244/0.032 = 452.8 N

答案

Ft = 452.8 N
16.齿轮与齿轮系

答案: nout = 1250 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 = 3000·40/80 = 1500 rpm = nC

第二级

nout = 1500·20/24 = 1250 rpm

答案

nout = 1250 rpm

总传动比 = 2.4 : 1

17.弹簧与单摆

答案: v = 0.5538 m/s

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 = √(440/3.3) = 11.55 rad/s

x 处的速度

v = ω·√(A² − x²) = 11.55·√(0.12² − 0.11²) = 0.5538 m/s

答案

v = 0.5538 m/s
18.弹簧与单摆

答案: E = 0.184 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 = √(230/3.1) = 8.614 rad/s

能量

E = ½·k·A² = ½·230·0.04² = 0.184 J

答案

E = 0.184 J
19.机械振动

答案: ζ = 0.04989

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 = (1/3)·ln(40/15.6) = 0.3139

阻尼比

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0.3139/√(39.48 + 0.09851) = 0.04989

答案

ζ = 0.04989
20.机械振动

答案: keq = 12 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 = 1/15 + 1/60 → keq = 15·60/(15 + 60) = 12 kN/m

答案

keq = 12 kN/m

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