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)4.286 s30

一辆以 108 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 = 108 km/ha = −7 m/s²v = 0
s = m
2.运动学困难
v₀ = 19 m/s30 m

从离地面 30 m 高的屋顶边缘以 19 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 = 19 m/sh₀ = 30 mg = 9.81 m/s²
t = s
3.牛顿定律中等
箱子v₀ = 7.5 m/sμ = ?

一个箱子以 7.5 m/s 的初速度在水平地面上滑动,滑行 14 m 后停止。取 g = 9.81 m/s²。求动摩擦因数 μ。

v₀ = 7.5 m/sd = 14 mg = 9.81 m/s²
μ =
4.牛顿定律困难
m1​ = 7.5 kg3.5 kgμ = 0.3

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 3.5 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。 求系统的加速度 a。

m1 = 7.5 kgm2 = 3.5 kgμ = 0.3g = 9.81 m/s²
a = m/s²
5.抛体运动中等
v0​ = 12 m/s55°射程H = ?

一个球 从平地上以高于水平面 55° 的角度抛出。忽略空气阻力。求球达到的最大高度 H。

v0 = 12 m/sθ = 55°g = 9.81 m/s²
H = m
6.抛体运动困难
h = 55 mv0​ = 11 m/s55°α = ?

一个球从 55 m 高的悬崖顶部以 11 m/s、与水平方向成 55° 的角度抛出。忽略空气阻力,取 g = 9.81 m/s²。 它落地时与水平方向向下成多大角度 α?

v₀ = 11 m/sθ = 55°h = 55 mg = 9.81 m/s²
α = °
7.圆周运动中等
L = 1.1 m45°

一个系在长 1.1 m 绳上的小球做水平圆周运动,绳与竖直方向保持 45° 的恒定夹角(圆锥摆)。取 g = 9.81 m/s²。 求小球的速度 v。

L = 1.1 mθ = 45°g = 9.81 m/s²
v = m/s
8.圆周运动困难
r = 0.6 m10 m/svtop​ = ?

一个 1.2 kg 的球系在长 0.6 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 10 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 = 1.2 kgr = 0.6 mvbottom = 10 m/sg = 9.81 m/s²
Ttop = N
9.功和能中等
50°L = 0.8 m0.5 kg

一个 0.5 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 50°,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 = 0.8 mθ = 50°g = 9.81 m/s²
T = N
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
1 kg9 m/s3 kg

在无摩擦的导轨上,一个以 9 m/s 运动的 1 kg 滑块与一个静止的 3 kg 滑块发生完全弹性的正碰。 求碰撞后第二个滑块的速度 v′2。

m1 = 1 kgm2 = 3 kgv1 = 9 m/sv2 = 0
v′2 = m/s
12.动量与碰撞困难
21 m/s6 m/s

一个 0.4 kg 的小球以 21 m/s 撞到墙上,并以 6 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 = 0.4 kgvin = 21 m/svout = 6 m/sΔt = 10 ms
Favg = N
13.刚体转动中等
n = 2900 rpmTb​ = 195 N·mI = 38.5 kg·m²

转动惯量为 38.5 kg·m² 的飞轮以 2900 rpm 转动。制动器施加 195 N·m 的恒定摩擦转矩。 飞轮在停下之前转过多少圈 N?

I = 38.5 kg·m²n = 2900 rpmTb = 195 N·m
N = rev
14.刚体转动困难
9 m/sω

一个质量为 20 kg 的实心圆柱以 9 m/s 的速度无滑动地滚动。 求它的转动动能 Erot。

m = 20 kgv = 9 m/sI = ½·m·r²
Erot = J
15.齿轮与齿轮系中等
Nw​ = 45z = 3, 2900 rpm

一个 3 头的蜗杆以 2900 rpm 转动,驱动一个 45 齿的蜗轮。求蜗轮的转速 nw。

z = 3Nw = 45n = 2900 rpm
nw = rpm
16.齿轮与齿轮系困难
A = 12B = 30C = 50D = 72

在一个复合轮系中,输入轴上的齿轮 A(12 齿)以 960 rpm 转动,驱动齿轮 B(30 齿)。齿轮 C(50 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 = 960 rpmA = 12B = 30C = 50D = 72
nout = rpm
17.弹簧与单摆中等
t (s)x (cm)0.4 s

一个连在 k = 290 N/m 弹簧上的 1.6 kg 物体被沿正方向拉开 6 cm,在 t = 0 时由静止释放。 求 t = 0.4 s 时它相对于平衡位置的位移 x(带符号)。

m = 1.6 kgk = 290 N/mA = 6 cmt = 0.4 s
x = cm
18.弹簧与单摆困难
1.5 kgk = 40 N/mA = 3 cm

一个 1.5 kg 的物体连在 k = 40 N/m 的弹簧上,从平衡位置拉开 3 cm 后释放。 求它的最大速度 vmax。

m = 1.5 kgk = 40 N/mA = 3 cm
vmax = m/s
19.机械振动中等
k = 40 kN/mc = 280 N·s/mm = 8 kg

一个 8 kg 的质量块由刚度为 40 kN/m 的弹簧和阻尼系数为 280 N·s/m 的黏性阻尼器支承。求阻尼比 ζ。

m = 8 kgk = 40 kN/mc = 280 N·s/m
ζ =
20.机械振动困难
k1​ = 30k2​ = 5m = 100 kg

一个 100 kg 的质量块悬挂在首尾相接(串联)的两根弹簧上:上弹簧 k₁ = 30 kN/m,下弹簧 k₂ = 5 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 = 100 kgk1 = 30 kN/mk2 = 5 kN/m
fn = Hz

3溶液

1.运动学

答案: s = 64.29 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 = 108/3.6 = 30 m/s

制动距离

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 30²/(2·7) = 64.29 m

答案

s = 64.29 m
2.运动学

答案: t = 5.078 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。

−30 = 19·t − ½·9.81·t²
4.905·t² − 19·t − 30 = 0

解一元二次方程

只有正根有物理意义。

t = (19 + √(19² + 2·9.81·30))/9.81 = 5.078 s

答案

t = 5.078 s
3.牛顿定律

答案: μ = 0.2048

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) = 7.5²/(2·14) = 2.009 m/s²

摩擦因数

μ·m·g = m·a → μ = a/g = 2.009/9.81 = 0.2048

答案

μ = 0.2048
4.牛顿定律

答案: a = 1.115 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 − 22.07)/11 = 1.115 m/s²

答案

a = 1.115 m/s²
5.抛体运动

答案: H = 4.925 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 = 12·cos 55° = 6.883 m/s
vy = v0·sin θ = 12·sin 55° = 9.83 m/s

最高点

在最高点竖直速度为零:vy² = 2gH。

H = vy²/(2g) = 9.83²/(2·9.81) = 4.925 m

答案

H = 4.925 m
6.抛体运动

答案: α = 79.51 °

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 = 11·cos 55° = 6.309 m/s
vy0 = 11·sin 55° = 9.011 m/s

落地时的竖直速度

用能量,或在竖直方向用 v² = v₀² + 2as。

vy = √(9.011² + 2·9.81·55) = 34.06 m/s

落地角度

tan α = vy/vx = 34.06/6.309 → α = 79.51°

答案

α = 79.51°
7.圆周运动

答案: v = 2.762 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 = 1.1·sin 45° = 0.7778 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) = √(0.7778·9.81·tan 45°) = 2.762 m/s

答案

v = 2.762 m/s
8.圆周运动

答案: Ttop = 141.1 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 = 10² − 4·9.81·0.6 = 76.46 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 = 1.2·76.46/0.6 − 1.2·9.81 = 141.1 N

答案

Ttop = 141.1 N
9.功和能

答案: T = 8.409 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 50°) = 5.607 m²/s²

最低点的受力

m·g = 0.5·9.81 = 4.905 N
T = mg + mv²/L = 4.905 + 0.5·5.607/0.8 = 8.409 N

答案

T = 8.409 N

校核:T = mg(3 − 2cos θ) = 8.409 N。

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′2 = 4.5 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 = (1 − 3)/(1 + 3)·9 = −4.5 m/s
v′2 = 2·1/(1 + 3)·9 = 4.5 m/s

答案

v′2 = 4.5 m/s
12.动量与碰撞

答案: Favg = 1080 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 = 0.4·(6 + 21) = 10.8 N·s

平均作用力

Favg = J/Δt = 10.8/0.01 = 1080 N

答案

Favg = 1080 N
13.刚体转动

答案: N = 1449 rev

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·2900/60 = 303.7 rad/s

制动器做的功等于动能

½·I·ω² = ½·38.5·303.7² = 1.775 × 10⁶ J
θ = 1.775 × 10⁶/195 = 9104 rad

圈数

N = θ/2π = 1449 rev

答案

N = 1449 rev
14.刚体转动

答案: Erot = 405 J

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 = ½·20·9² = 810 J
Erot = ½·I·ω² = ½·0.5·m·r²·(v/r)² = 0.5·810 = 405 J

答案

Erot = 405 J
15.齿轮与齿轮系

答案: nw = 193.3 rpm

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.

蜗轮转速

nw = n·z/Nw = 2900·3/45 = 193.3 rpm

答案

nw = 193.3 rpm
16.齿轮与齿轮系

答案: nout = 266.7 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 = 960·12/30 = 384 rpm = nC

第二级

nout = 384·50/72 = 266.7 rpm

答案

nout = 266.7 rpm

总传动比 = 3.6 : 1

17.弹簧与单摆

答案: x = 3.739 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 = √(290/1.6) = 13.46 rad/s
ω·t = 13.46·0.4 = 5.385 rad

位移

x = A·cos(ω·t) = 6·cos(5.385) = 3.739 cm

答案

x = 3.739 cm
18.弹簧与单摆

答案: vmax = 0.1549 m/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。

角频率

ω = √(40/1.5) = 5.164 rad/s

最大速度

vmax = A·ω = 0.03·5.164 = 0.1549 m/s

答案

vmax = 0.1549 m/s
19.机械振动

答案: ζ = 0.2475

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·√(40000·8) = 1131 N·s/m

阻尼比

ζ = c/cc = 280/1131 = 0.2475

答案

ζ = 0.2475

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 = 1.042 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 = 1/30 + 1/5 → keq = 30·5/(30 + 5) = 4.286 kN/m

固有频率

ωn = √(4286/100) = 6.547 rad/s
fn = 6.547/(2π) = 1.042 Hz

答案

fn = 1.042 Hz

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