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)5.455 s30

一辆以 108 km/h 行驶的汽车以 5.5 m/s² 的恒定减速度制动,直到停下。 求制动距离 s。

v₀ = 108 km/ha = −5.5 m/s²v = 0
s = m
2.运动学困难
v₀ = 16 m/s40 m

从离地面 40 m 高的屋顶边缘以 16 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 = 16 m/sh₀ = 40 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 7.2 m 后停止。取 g = 9.81 m/s²。求动摩擦因数 μ。

v₀ = 7.5 m/sd = 7.2 mg = 9.81 m/s²
μ =
4.牛顿定律困难
m1​ = 4.5 kg2 kgμ = 0.3

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 2 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 = 4.5 kgm2 = 2 kgμ = 0.3g = 9.81 m/s²
a = m/s²
5.抛体运动中等
v0​ = 30 m/sθ = ?R = 75 m

一个球从水平地面以 30 m/s 抛出,必须落在 75 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 = 30 m/sR = 75 mg = 9.81 m/s²
θ = °
6.抛体运动困难
h = 50 mv0​ = 32 m/s30°H = ?

一个球从 50 m 高的悬崖顶部以 32 m/s、与水平方向成 30° 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 = 32 m/sθ = 30°h = 50 mg = 9.81 m/s²
H = m
7.圆周运动中等
r = 4 mn = ?

在游乐场的转筒中,乘客背靠在半径为 4 m 的竖直圆筒壁上。圆筒转得足够快时,底板下降,靠摩擦力托住乘客。静摩擦因数为 0.8。取 g = 9.81 m/s²。 求最小转速 n,以每分钟转数表示。

r = 4 mμs = 0.8g = 9.81 m/s²
n = rpm
8.圆周运动困难
r = 0.5 mv = 4.5 m/s

一个 0.8 kg 的小球系在长 0.5 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 4.5 m/s。取 g = 9.81 m/s²。求最低点处绳中的张力 T。

m = 0.8 kgr = 0.5 mv = 4.5 m/sg = 9.81 m/s²
T = N
9.功和能中等
30°d = 3 mμ = 0.2

一个物块由静止沿倾角 30° 的斜面下滑。动摩擦因数为 0.2。求它沿斜面滑行 3 m 后的速度 v。

θ = 30°μ = 0.2d = 3 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
10.功和能困难
h = 3.5 mL = 4 mμ = 0.3k = 1000 N/m

一个 5 kg 的物块从光滑坡道上 3.5 m 高处由静止释放。到达底部后,它通过一段长 4 m 的粗糙水平段(μ = 0.3),然后在光滑表面上撞上一根弹簧(k = 1000 N/m)。 求物块到达弹簧时的速度 v。

m = 5 kgh = 3.5 mL = 4 mμ = 0.3k = 1000 N/mg = 9.81 m/s²
v = m/s
11.动量与碰撞中等
11 kg47 m/s8 kgv′2​ = ?

一个以 7 m/s 水平运动的 19 kg 抛射体爆炸成沿同一直线运动的两块碎片。11 kg 的碎片以 47 m/s 继续向前运动。求 8 kg 碎片的速度 v′2(以原运动方向为正)。

M = 19 kgu = 7 m/sm1 = 11 kgv′1 = 47 m/sm2 = 8 kg
v′2 = m/s
12.动量与碰撞困难
1300 kg11 m/s1900 kg12 m/sv′ = ?

在一个十字路口,一辆以 11 m/s 向东行驶的 1300 kg 汽车与一辆以 12 m/s 向北行驶的 1900 kg 汽车相撞。两车卡在一起。 求碰撞后瞬间残骸的速度 v′。

m1 = 1300 kgv1 = 11 m/s (E)m2 = 1900 kgv2 = 12 m/s (N)
v′ = m/s
13.刚体转动中等
0 → 800 rpmI = 3 kg·m²

一台电动机用 38 s 把转动惯量为 3 kg·m² 的飞轮从静止加速到 800 rpm。忽略损耗,求它输出的平均功率 Pavg,单位 kW。

I = 3 kg·m²n = 800 rpmt = 38 s
Pavg = kW
14.刚体转动困难
θ = 10°as = 5 m

一个薄圆环沿与水平面成 10° 的斜面无滑动地滚下。取 g = 9.81 m/s²。 它从静止开始。沿斜面滚下 5 m 需要多长时间 t?

θ = 10°I = m·r²g = 9.81 m/s²s = 5 m
t = s
15.齿轮与齿轮系中等
Nw​ = 45z = 1, 2900 rpm

一个 1 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 = 1Nw = 45n = 2900 rpm
nw = rpm
16.齿轮与齿轮系困难
A = 25B = 45C = 45D = 50

一台 2.2 kW、1450 rpm 的电动机驱动齿轮 A(25 齿),A 与齿轮 B(45 齿)啮合。与 B 同轴的齿轮 C(45 齿)驱动输出轴上的齿轮 D(50 齿)。每对齿轮啮合的效率为 97%。求输出转矩 Tout。

P = 2.2 kWnin = 1450 rpmA = 25B = 45C = 45D = 50ηmesh = 97%
Tout = N·m
17.弹簧与单摆中等
L = 0.8 mT = 1.89 s

一名宇航员在另一颗行星上发现,一个长 0.8 m 的单摆在小幅摆动时周期为 1.89 s。求该行星上的重力加速度 g。

L = 0.8 mT = 1.89 s
g = m/s²
18.弹簧与单摆困难
1 kgk = 1100 N/m450 m/s

一颗以 450 m/s 运动的 8 g 子弹击中并留在一个放在无摩擦表面上的 1 kg 木块中。木块连在一根 k = 1100 N/m 的水平弹簧上。求由此产生的振动的振幅 A,以 cm 表示。

m = 8 gv = 450 m/sM = 1 kgk = 1100 N/m
A = cm
19.机械振动中等
tx15 mm3 个周期7.1 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 3 个周期出现峰值 7.1 mm。 求阻尼比 ζ。

x0 = 15 mmx3 = 7.1 mmn = 3
ζ =
20.机械振动困难
k1​ = 40k2​ = 12k3​ = 25m = 100 kg

一个 100 kg 的质量块悬挂在弹簧 k₃ = 25 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 = 40 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 = 40 kN/mk2 = 12 kN/mk3 = 25 kN/m
fn = Hz

3溶液

1.运动学

答案: s = 81.82 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/(2·5.5) = 81.82 m

答案

s = 81.82 m
2.运动学

答案: t = 4.92 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。

−40 = 16·t − ½·9.81·t²
4.905·t² − 16·t − 40 = 0

解一元二次方程

只有正根有物理意义。

t = (16 + √(16² + 2·9.81·40))/9.81 = 4.92 s

答案

t = 4.92 s
3.牛顿定律

答案: μ = 0.3982

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/(2·7.2) = 3.906 m/s²

摩擦因数

μ·m·g = m·a → μ = a/g = 3.906/9.81 = 0.3982

答案

μ = 0.3982
4.牛顿定律

答案: a = 0.981 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) = (19.62 − 13.24)/6.5 = 0.981 m/s²

答案

a = 0.981 m/s²
5.抛体运动

答案: θ = 27.42 °

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 = 9.81·75/30² = 0.8175

相角

2θ = 54.84° → θ = 27.42°

答案

θ = 27.42°

另一个解为 90° − θ = 62.58°。

6.抛体运动

答案: H = 63.05 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 = 32·sin 30° = 16 m/s

高出悬崖的上升高度

Δh = vy²/(2g) = 16²/(2·9.81) = 13.05 m

离地面的高度

H = 50 + 13.05 = 63.05 m

答案

H = 63.05 m
7.圆周运动

答案: n = 16.72 rpm

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.

乘客受到的力

N = m·ω²·r
μ·N = m·g → μ·ω²·r = g

角速度

ω = √(g/(μ·r)) = √(9.81/(0.8·4)) = 1.751 rad/s

转速

n = ω·60/(2π) = 16.72 rpm

答案

n = 16.72 rpm
8.圆周运动

答案: T = 40.25 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 + 0.8·4.5²/0.5 = 7.848 + 32.4 = 40.25 N

答案

T = 40.25 N
9.功和能

答案: v = 4.386 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)。

沿斜面的能量衡算

物块下降高度 d·sin θ,摩擦消耗 μmg·cos θ·d。质量约去。

½v² = g·d·(sin θ − μ·cos θ)
v = √(2·9.81·3·(0.5 − 0.2·0.866)) = 4.386 m/s

答案

v = 4.386 m/s
10.功和能

答案: v = 6.718 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)。

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·(3.5 − 0.3·4) = 112.8 J

到达弹簧时的速度

½mv² = mg(h − μL) → v = √(2g(h − μL)) = √(2·9.81·2.3) = 6.718 m/s

答案

v = 6.718 m/s
11.动量与碰撞

答案: v′2 = −48 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.

碰撞前的动量

p = M·u = 19·7 = 133 kg·m/s

碰撞后的动量

133 = 11·47 + 8·v′2
v′2 = (133 − 517)/8 = −48 m/s

答案

v′2 = −48 m/s

负号表示第二块碎片向后飞。

12.动量与碰撞

答案: v′ = 8.41 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.

动量分量

px = 1300·11 = 14300 kg·m/s
py = 1900·12 = 22800 kg·m/s

残骸的速度

v′ = √(px² + py²)/(m1 + m2) = 26913/3200 = 8.41 m/s

答案

v′ = 8.41 m/s
13.刚体转动

答案: Pavg = 0.277 kW

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·800/60 = 83.78 rad/s

能量

E = ½·I·ω² = ½·3·83.78² = 10528 J

平均功率

Pavg = E/t = 10528/38 = 277 W = 0.277 kW

答案

Pavg = 0.277 kW
14.刚体转动

答案: t = 3.426 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.

运动方程

m·g·sin θ − f = m·a
f·r = I·α = 1·m·r²·(a/r) → f = 1·m·a

加速度

a = g·sin θ/(1 + c) = 9.81·sin 10°/2 = 0.8517 m/s²

时间

s = ½·a·t² → t = √(2·5/0.8517) = 3.426 s

答案

t = 3.426 s
15.齿轮与齿轮系

答案: nw = 64.44 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 = 2900·1/45 = 64.44 rpm

答案

nw = 64.44 rpm
16.齿轮与齿轮系

答案: Tout = 27.26 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 = 1450·(25/45)·(45/50) = 725 rpm
ωout = 2π·725/60 = 75.92 rad/s

输出功率和转矩

Pout = 2200·0.97² = 2070 W
Tout = Pout/ωout = 2070/75.92 = 27.26 N·m

答案

Tout = 27.26 N·m
17.弹簧与单摆

答案: g = 8.842 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 = 4π²·0.8/1.89² = 8.842 m/s²

答案

g = 8.842 m/s²
18.弹簧与单摆

答案: A = 10.81 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.

撞击后的速度

V = m·v/(m + M) = 0.008·450/1.008 = 3.571 m/s

角频率

ω = √(k/(m + M)) = √(1100/1.008) = 33.03 rad/s

振幅

A = V/ω = 3.571/33.03 = 0.1081 m = 10.81 cm

答案

A = 10.81 cm
19.机械振动

答案: ζ = 0.03965

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(15/7.1) = 0.2493

阻尼比

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0.2493/√(39.48 + 0.06216) = 0.03965

答案

ζ = 0.03965
20.机械振动

答案: fn = 2.068 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 = 40 + 12 = 52 kN/m
keq = 52·25/(52 + 25) = 16.88 kN/m

固有频率

ωn = √(16883/100) = 12.99 rad/s
fn = 12.99/(2π) = 2.068 Hz

答案

fn = 2.068 Hz

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