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)2.778 s22.22

一辆以 80 km/h 行驶的汽车以 8 m/s² 的恒定减速度制动,直到停下。 求制动距离 s。

v₀ = 80 km/ha = −8 m/s²v = 0
s = m
2.运动学困难
AB: 21 m/s20 m

球 A 从 20 m 高处由静止释放。同一时刻,球 B 从正下方的地面以 21 m/s 竖直上抛。忽略空气阻力,取 g = 9.81 m/s²。 两球何时相遇?求 t。

H = 20 mv0B = 21 m/sg = 9.81 m/s²
t = s
3.牛顿定律中等
θ = 40°a = ?m = 4 kg

一个 4 kg 的物块沿倾角为 40° 的光滑斜面下滑。 取 g = 9.81 m/s²。求物块沿斜面的加速度 a。

m = 4 kgθ = 40°μ = 0g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.牛顿定律困难
m1​ = 5.5 kg5 kg无摩擦

水平桌面上一个 5.5 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。 桌面光滑。 取 g = 9.81 m/s²。 求系统的加速度 a。

m1 = 5.5 kgm2 = 5 kgμ = 0g = 9.81 m/s²
a = m/s²
5.抛体运动中等
v0​ = 34 m/sθ = ?R = 110 m

一个球从水平地面以 34 m/s 抛出,必须落在 110 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 = 110 mg = 9.81 m/s²
θ = °
6.抛体运动困难
h = 40 mv0​ = 34 m/s20°x = ?

一个球 从 40 m 高的悬崖顶上以高于水平面 20° 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 = 20°h = 40 mg = 9.81 m/s²
x = m
7.圆周运动中等
r = 50 mvmax​ = ?

一辆汽车通过半径为 50 m 的水平弯道。轮胎与路面之间的静摩擦因数为 0.6。取 g = 9.81 m/s²。求汽车不打滑地通过弯道的最大速度 vmax。

r = 50 mμs = 0.6g = 9.81 m/s²
vmax = m/s
8.圆周运动困难
r = 1.1 m8 m/svtop​ = ?

一个 1 kg 的球系在长 1.1 m 的轻绳上,在竖直平面内做圆周运动。在最低点它的速度为 8 m/s。忽略空气阻力,取 g = 9.81 m/s²。求最高点时绳中的拉力 Ttop。

m = 1 kgr = 1.1 mvbottom = 8 m/sg = 9.81 m/s²
Ttop = N
9.功和能中等
25°d = 20 mμ = 0.15

一个 2 kg 的物块沿倾角 25° 的斜面下滑 20 m,动摩擦因数为 0.15。求克服摩擦做的功 Wf。

m = 2 kgθ = 25°μ = 0.15d = 20 mg = 9.81 m/s²
Wf = J
10.功和能困难
h = 5 mL = 1.5 mμ = 0.15k = 4000 N/m

一个 5 kg 的物块从光滑坡道上 5 m 高处由静止释放。到达底部后,它通过一段长 1.5 m 的粗糙水平段(μ = 0.15),然后在光滑表面上撞上一根弹簧(k = 4000 N/m)。 求弹簧的最大压缩量 x。

m = 5 kgh = 5 mL = 1.5 mμ = 0.15k = 4000 N/mg = 9.81 m/s²
x = cm
11.动量与碰撞中等
3 kgv = ?20 gh = 3 cm

一颗 20 g 的子弹水平射入一个用轻绳悬挂的 3 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 = 3 kgh = 3 cmg = 9.81 m/s²
v = m/s
12.动量与碰撞困难
9 m/s20 m/s

一个 0.2 kg 的小球以 9 m/s 撞到墙上,并以 20 m/s 沿原路弹回。接触时间为 20 ms。 求墙对小球的平均作用力 Favg。

m = 0.2 kgvin = 9 m/svout = 20 m/sΔt = 20 ms
Favg = N
13.刚体转动中等
n = 1900 rpmTb​ = 100 N·mI = 22 kg·m²

转动惯量为 22 kg·m² 的飞轮以 1900 rpm 转动。制动器施加 100 N·m 的恒定摩擦转矩。 它需要多长时间 t 才能停下?

I = 22 kg·m²n = 1900 rpmTb = 100 N·m
t = s
14.刚体转动困难
θ = 30°vs = 4 m

一个空心球从静止开始,沿与水平面成 30° 的斜面无滑动地滚下。取 g = 9.81 m/s²。 求它沿斜面滚过 4 m 后的速度 v。

θ = 30°s = 4 mI = (2/3)·m·r²g = 9.81 m/s²
v = m/s
15.齿轮与齿轮系中等
d1​ = 200 mmd2​ = 500 mm720 rpmn2​ = ?

一个 200 mm 的带轮以 720 rpm 通过皮带驱动一个 500 mm 的带轮,打滑率为 2.5 %。求从动轮的转速 n2。

n1 = 720 rpmd1 = 200 mmd2 = 500 mms = 2.5 %
n2 = rpm
16.齿轮与齿轮系困难
A = 18B = 30C = 48D = 72

在一个复合轮系中,输入轴上的齿轮 A(18 齿)以 1440 rpm 转动,驱动齿轮 B(30 齿)。齿轮 C(48 齿)与 B 固定在同一根轴上,驱动输出轴上的齿轮 D(72 齿)。求输出转速 nout。

nin = 1440 rpmA = 18B = 30C = 48D = 72
nout = rpm
17.弹簧与单摆中等
2.4 kgk = 340 N/mA = 4 cmx = 2 cm

一个连在 k = 340 N/m 弹簧上的 2.4 kg 物体在无摩擦表面上以 4 cm 的振幅振动。求它距平衡位置 2 cm 时的速度 v。

m = 2.4 kgk = 340 N/mA = 4 cmx = 2 cm
v = m/s
18.弹簧与单摆困难
mk = 30 N/mA = 5 cmx = 3 cm

一个连在 k = 30 N/m 弹簧上的物体在无摩擦表面上以 5 cm 的振幅振动。 求它距平衡位置 3 cm 时的动能 K。

k = 30 N/mA = 5 cmx = 3 cm
K = J
19.机械振动中等
k = 15 kN/mc = 40 N·s/mm = 12 kg

一个 12 kg 的质量块由刚度为 15 kN/m 的弹簧和阻尼系数为 40 N·s/m 的黏性阻尼器支承。求阻尼比 ζ。

m = 12 kgk = 15 kN/mc = 40 N·s/m
ζ =
20.机械振动困难
k1​ = 50k2​ = 15m = 10 kg

一个 10 kg 的质量块悬挂在首尾相接(串联)的两根弹簧上:上弹簧 k₁ = 50 kN/m,下弹簧 k₂ = 15 kN/m。 忽略阻尼和弹簧的质量。求竖向振动的固有频率 fn,以 Hz 计。

m = 10 kgk1 = 50 kN/mk2 = 15 kN/m
fn = Hz

3溶液

1.运动学

答案: s = 30.86 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/(2·8) = 30.86 m

答案

s = 30.86 m
2.运动学

答案: t = 0.9524 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.

相遇时间

向上为正,地面为 y = 0。

20 − ½g·t² = 21·t − ½g·t² → t = 20/21 = 0.9524 s

答案

t = 0.9524 s
3.牛顿定律

答案: a = 6.306 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 40° − 0·cos 40°) = 9.81·(0.6428 − 0) = 6.306 m/s²

答案

a = 6.306 m/s²
4.牛顿定律

答案: a = 4.671 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) = (49.05 − 0)/10.5 = 4.671 m/s²

答案

a = 4.671 m/s²
5.抛体运动

答案: θ = 34.49 °

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 = 9.81·110/34² = 0.9335

相角

2θ = 68.98° → θ = 34.49°

答案

θ = 34.49°

另一个解为 90° − θ = 55.51°。

6.抛体运动

答案: x = 136.7 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 20° = 31.95 m/s
vy = v0·sin θ = 34·sin 20° = 11.63 m/s

飞行时间

解 y(t) = h + vy·t − ½gt² = 0,取正根。

0 = 40 + 11.63·t − 4.905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (11.63 + √(135.2 + 784.8))/9.81 = 4.277 s

水平距离

x = vx·t = 31.95·4.277 = 136.7 m

答案

x = 136.7 m
7.圆周运动

答案: vmax = 17.16 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) = √(0.6·9.81·50) = 17.16 m/s

答案

vmax = 17.16 m/s (61.76 km/h)
8.圆周运动

答案: Ttop = 9.132 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.

顶点的速度

在高度 2r 上,动能转化为势能。

vtop² = 8² − 4·9.81·1.1 = 20.84 m²/s²

顶点的受力

拉力和重力都向下,指向圆心。

T + m·g = m·vtop²/r
T = 1·20.84/1.1 − 1·9.81 = 9.132 N

答案

Ttop = 9.132 N
9.功和能

答案: Wf = 53.35 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 = 19.62·0.9063 = 17.78 N
F = μN = 0.15·17.78 = 2.667 N

克服摩擦做的功

Wf = F·d = 2.667·20 = 53.35 J

答案

Wf = 53.35 J
10.功和能

答案: x = 34.22 cm

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)。

通过粗糙段后剩余的能量

坡道光滑,只有粗糙段消耗能量。

mgh − μmgL = 49.05·(5 − 0.15·1.5) = 234.2 J

最大压缩量

½kx² = 234.2 → x = √(2·234.2/4000) = 0.3422 m = 34.22 cm

答案

x = 34.22 cm
11.动量与碰撞

答案: v = 115.8 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 + 3)·0.7672/0.02 = 115.8 m/s

答案

v = 115.8 m/s
12.动量与碰撞

答案: Favg = 290 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 = 0.2·(20 + 9) = 5.8 N·s

平均作用力

Favg = J/Δt = 5.8/0.02 = 290 N

答案

Favg = 290 N
13.刚体转动

答案: t = 43.77 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.

角速度

ω = 2π·1900/60 = 199 rad/s

减速度和时间

α = Tb/I = 100/22 = 4.545 rad/s²
t = ω/α = 199/4.545 = 43.77 s

答案

t = 43.77 s
14.刚体转动

答案: v = 4.852 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 = 4·sin 30° = 2 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 = √(2·9.81·2/1.667) = 4.852 m/s

答案

v = 4.852 m/s
15.齿轮与齿轮系

答案: n2 = 280.8 rpm

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。

无打滑时的转速

720·200/500 = 288 rpm

有打滑

n2 = 288·0.975 = 280.8 rpm

答案

n2 = 280.8 rpm
16.齿轮与齿轮系

答案: nout = 576 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 = 1440·18/30 = 864 rpm = nC

第二级

nout = 864·48/72 = 576 rpm

答案

nout = 576 rpm

总传动比 = 2.5 : 1

17.弹簧与单摆

答案: v = 0.4123 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 = √(340/2.4) = 11.9 rad/s

x 处的速度

v = ω·√(A² − x²) = 11.9·√(0.04² − 0.02²) = 0.4123 m/s

答案

v = 0.4123 m/s
18.弹簧与单摆

答案: K = 0.024 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 = ½·30·0.05² = 0.0375 J

x 处的弹簧能量

U = ½·k·x² = ½·30·0.03² = 0.0135 J

动能

K = 0.0375 − 0.0135 = 0.024 J

答案

K = 0.024 J
19.机械振动

答案: ζ = 0.04714

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·√(15000·12) = 848.5 N·s/m

阻尼比

ζ = c/cc = 40/848.5 = 0.04714

答案

ζ = 0.04714

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 = 5.406 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

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 = 1/50 + 1/15 → keq = 50·15/(50 + 15) = 11.54 kN/m

固有频率

ωn = √(11538/10) = 33.97 rad/s
fn = 33.97/(2π) = 5.406 Hz

答案

fn = 5.406 Hz

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