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)6.667 s33.33

一辆以 120 km/h 行驶的汽车以 5 m/s² 的恒定减速度制动,直到停下。 求制动距离 s。

v₀ = 120 km/ha = −5 m/s²v = 0
s = m
2.运动学困难
v₀ = 6 m/s10 m

从离地面 10 m 高的屋顶边缘以 6 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 = 6 m/sh₀ = 10 mg = 9.81 m/s²
t = s
3.牛顿定律中等
箱子v₀ = 10 m/sμ = ?

一个箱子以 10 m/s 的初速度在水平地面上滑动,滑行 13 m 后停止。取 g = 9.81 m/s²。求动摩擦因数 μ。

v₀ = 10 m/sd = 13 mg = 9.81 m/s²
μ =
4.牛顿定律困难
m1​ = 3 kg2 kgμ = 0.2

水平桌面上一个 3 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 = 3 kgm2 = 2 kgμ = 0.2g = 9.81 m/s²
T = N
5.抛体运动中等
106 my = ?v0​ = 36 m/s45°

一个球从水平地面以 36 m/s、与水平方向成 45° 的角度朝 106 m 外的一面墙踢出。忽略空气阻力,取 g = 9.81 m/s²。球经过墙时的高度 y 是多少?

v₀ = 36 m/sθ = 45°x = 106 mg = 9.81 m/s²
y = m
6.抛体运动困难
h = 40 mv0​ = 19 m/s50°x = ?

一个球 从 40 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 = 19 m/sθ = 50°h = 40 mg = 9.81 m/s²
x = m
7.圆周运动中等
L = 1.2 m15°

一个系在长 1.2 m 绳上的小球做水平圆周运动,绳与竖直方向保持 15° 的恒定夹角(圆锥摆)。取 g = 9.81 m/s²。 求小球的速度 v。

L = 1.2 mθ = 15°g = 9.81 m/s²
v = m/s
8.圆周运动困难
R = 4.5 mh = 22.5 m

一辆 2.5 kg 的小车在无摩擦轨道上从 22.5 m 高处由静止释放,驶过一个半径为 4.5 m 的竖直圆环。取 g = 9.81 m/s²。 求小车在圆环底部时轨道对它的法向力 Nbottom。

m = 2.5 kgh = 22.5 mR = 4.5 mg = 9.81 m/s²
Nbottom = N
9.功和能中等
30 km/h

一辆汽车在水平路面上以 30 km/h 行驶,紧急制动后车轮抱死滑行至停止。轮胎与路面之间的动摩擦因数为 0.4。求制动距离 d。

v = 30 km/hμ = 0.4g = 9.81 m/s²
d = m
10.功和能困难
h = 1 mL = 4.5 mμ = 0.1k = 500 N/m

一个 2.5 kg 的物块从光滑坡道上 1 m 高处由静止释放。到达底部后,它通过一段长 4.5 m 的粗糙水平段(μ = 0.1),然后在光滑表面上撞上一根弹簧(k = 500 N/m)。 求物块到达弹簧时的速度 v。

m = 2.5 kgh = 1 mL = 4.5 mμ = 0.1k = 500 N/mg = 9.81 m/s²
v = m/s
11.动量与碰撞中等
5 kg9 m/s4.5 kg

在无摩擦的导轨上,一个以 9 m/s 运动的 5 kg 滑块与一个静止的 4.5 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 = 5 kgm2 = 4.5 kgv1 = 9 m/sv2 = 0
v′2 = m/s
12.动量与碰撞困难
12 m/s12 m/s

一个 0.6 kg 的小球以 12 m/s 撞到墙上,并以 12 m/s 沿原路弹回。接触时间为 25 ms。 求墙对小球的平均作用力 Favg。

m = 0.6 kgvin = 12 m/svout = 12 m/sΔt = 25 ms
Favg = N
13.刚体转动中等
4.5 kgaαM = 11 kgR = 0.2 m

一个 4.5 kg 的物块悬挂在绕过滑轮的轻绳上,滑轮是质量为 11 kg、半径为 0.2 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。 求滑轮的角加速度 α。

m = 4.5 kgM = 11 kgR = 0.2 mg = 9.81 m/s²
α = rad/s²
14.刚体转动困难
θ = 30°as = 1.5 m

一个空心球沿与水平面成 30° 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 1.5 m 需要多长时间 t?

θ = 30°I = (2/3)·m·r²g = 9.81 m/s²s = 1.5 m
t = s
15.齿轮与齿轮系中等
Nw​ = 60z = 1, 960 rpm

一个 1 头的蜗杆以 960 rpm 转动,驱动一个 60 齿的蜗轮。求蜗轮的转速 nw。

z = 1Nw = 60n = 960 rpm
nw = rpm
16.齿轮与齿轮系困难
d1​ = 160 mmd2​ = 200 mm1440 rpmC = 500 mmT1​ = 600 NT2​P = ?

一条开口皮带把一个以 1440 rpm 转动、直径 160 mm 的主动轮与一个 200 mm 的带轮相连;中心距为 500 mm。摩擦系数为 0.25,紧边张力不得超过 600 N。求皮带在不打滑时能传递的最大功率 P,单位 kW(忽略离心效应)。

d1 = 160 mmn1 = 1440 rpmd2 = 200 mmC = 500 mmμ = 0.25T1 = 600 N
P = kW
17.弹簧与单摆中等
L = ?

要使单摆的周期为 1.4 s,摆长应为多少?取 g = 9.81 m/s²。求 L。

T = 1.4 sg = 9.81 m/s²
L = m
18.弹簧与单摆困难
2 kgk = 500 N/m300 m/s

一颗以 300 m/s 运动的 20 g 子弹击中并留在一个放在无摩擦表面上的 2 kg 木块中。木块连在一根 k = 500 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 = 20 gv = 300 m/sM = 2 kgk = 500 N/m
A = cm
19.机械振动中等
k = 100 kN/mc = 180 N·s/mm = 8 kg

一个 8 kg 的质量块由刚度为 100 kN/m 的弹簧和阻尼系数为 180 N·s/m 的黏性阻尼器支承。求阻尼比 ζ。

m = 8 kgk = 100 kN/mc = 180 N·s/m
ζ =
20.机械振动困难
k1​ = 100k2​ = 25m = 5 kg

一个 5 kg 的质量块悬挂在并排(并联)的两根弹簧上,刚度分别为 k₁ = 100 kN/m 和 k₂ = 25 kN/m。质量块保持水平。 求弹簧系统的等效刚度 keq,以 kN/m 计。

m = 5 kgk1 = 100 kN/mk2 = 25 kN/m
keq = kN/m

3溶液

1.运动学

答案: s = 111.1 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/(2·5) = 111.1 m

答案

s = 111.1 m
2.运动学

答案: t = 2.165 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 = 6·t − ½·9.81·t²
4.905·t² − 6·t − 10 = 0

解一元二次方程

只有正根有物理意义。

t = (6 + √(6² + 2·9.81·10))/9.81 = 2.165 s

答案

t = 2.165 s
3.牛顿定律

答案: μ = 0.3921

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) = 10²/(2·13) = 3.846 m/s²

摩擦因数

μ·m·g = m·a → μ = a/g = 3.846/9.81 = 0.3921

答案

μ = 0.3921
4.牛顿定律

答案: T = 14.13 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 − 5.886)/5 = 2.747 m/s²

由桌面上的物块求张力

T − μ·m1·g = m1·a
T = 3·2.747 + 5.886 = 14.13 N

答案

T = 14.13 N
5.抛体运动

答案: y = 20.95 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.

到达墙的时间

vx = 36·cos 45° = 25.46 m/s
t = x/vx = 106/25.46 = 4.164 s

此时的高度

y = 25.46·4.164 − ½·9.81·4.164² = 20.95 m

答案

y = 20.95 m

球到达墙时已经在下落。

6.抛体运动

答案: x = 57.42 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 = 19·cos 50° = 12.21 m/s
vy = v0·sin θ = 19·sin 50° = 14.55 m/s

飞行时间

解 y(t) = h + vy·t − ½gt² = 0,取正根。

0 = 40 + 14.55·t − 4.905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (14.55 + √(211.8 + 784.8))/9.81 = 4.702 s

水平距离

x = vx·t = 12.21·4.702 = 57.42 m

答案

x = 57.42 m
7.圆周运动

答案: v = 0.9035 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 = 1.2·sin 15° = 0.3106 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) = √(0.3106·9.81·tan 15°) = 0.9035 m/s

答案

v = 0.9035 m/s
8.圆周运动

答案: Nbottom = 269.8 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.

由能量守恒求速度

v² = 2·9.81·22.5 = 441.5 m²/s²

受力

指向圆心为正。

N = m·v²/R + m·g = 2.5·441.5/4.5 + 24.53 = 269.8 N

答案

Nbottom = 269.8 N
9.功和能

答案: d = 8.849 m

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)。

以基本单位表示的速度

v = 30/3.6 = 8.333 m/s

能量衡算

½mv² = μmg·d → d = v²/(2μg) = 8.333²/(2·0.4·9.81) = 8.849 m

答案

d = 8.849 m

速度加倍,制动距离变为四倍。

10.功和能

答案: v = 3.285 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 = 24.53·(1 − 0.1·4.5) = 13.49 J

到达弹簧时的速度

½mv² = mg(h − μL) → v = √(2g(h − μL)) = √(2·9.81·0.55) = 3.285 m/s

答案

v = 3.285 m/s
11.动量与碰撞

答案: v′2 = 9.474 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 = (5 − 4.5)/(5 + 4.5)·9 = 0.4737 m/s
v′2 = 2·5/(5 + 4.5)·9 = 9.474 m/s

答案

v′2 = 9.474 m/s
12.动量与碰撞

答案: Favg = 576 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 + 12) = 14.4 N·s

平均作用力

Favg = J/Δt = 14.4/0.025 = 576 N

答案

Favg = 576 N
13.刚体转动

答案: α = 22.07 rad/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) = 4.5·9.81/(4.5 + 5.5) = 4.415 m/s²

角加速度

α = a/R = 4.415/0.2 = 22.07 rad/s²

答案

α = 22.07 rad/s²
14.刚体转动

答案: t = 1.01 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 = 0.6667·m·r²·(a/r) → f = 0.6667·m·a

加速度

a = g·sin θ/(1 + c) = 9.81·sin 30°/1.667 = 2.943 m/s²

时间

s = ½·a·t² → t = √(2·1.5/2.943) = 1.01 s

答案

t = 1.01 s
15.齿轮与齿轮系

答案: nw = 16 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 = 960·1/60 = 16 rpm

答案

nw = 16 rpm
16.齿轮与齿轮系

答案: P = 3.871 kW

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。

包角

θ = 3.062 rad

松边张力

eμθ = e0.7654 = 2.15, T₂ = 600/2.15 = 279.1 N

功率

P = (600 − 279.1)·12.06 = 3.871 kW

答案

P = 3.871 kW
17.弹簧与单摆

答案: L = 0.487 m

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。

求摆长

L = g·(T/2π)² = 9.81·(1.4/2π)² = 0.487 m

答案

L = 0.487 m
18.弹簧与单摆

答案: A = 18.88 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) = 0.02·300/2.02 = 2.97 m/s

角频率

ω = √(k/(m + M)) = √(500/2.02) = 15.73 rad/s

振幅

A = V/ω = 2.97/15.73 = 0.1888 m = 18.88 cm

答案

A = 18.88 cm
19.机械振动

答案: ζ = 0.1006

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·√(100000·8) = 1789 N·s/m

阻尼比

ζ = c/cc = 180/1789 = 0.1006

答案

ζ = 0.1006

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: keq = 125 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

并排的弹簧变形相同、力相加,所以刚度直接相加:k = k1 + k2。

keq = 100 + 25 = 125 kN/m

答案

keq = 125 kN/m

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