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)3.704 s22.22

一辆以 80 km/h 行驶的汽车以 6 m/s² 的恒定减速度制动,直到停下。 求制动距离 s。

v₀ = 80 km/ha = −6 m/s²v = 0
s = m
2.运动学困难
v₀ = 8 m/s15 m

从离地面 15 m 高的屋顶边缘以 8 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。 求小球离地面的最大高度 hmax。

v₀ = 8 m/sh₀ = 15 mg = 9.81 m/s²
hmax = m
3.牛顿定律中等
9.5 kg4 kg

质量为 9.5 kg 和 4 kg 的两个物体用轻绳相连,分别悬挂在一个轻质无摩擦滑轮的两侧。系统由静止释放。取 g = 9.81 m/s²。 求绳中的张力 T。

m1 = 9.5 kgm2 = 4 kgg = 9.81 m/s²
T = N
4.牛顿定律困难
m1​ = 3.5 kg5 kgμ = 0.1

水平桌面上一个 3.5 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。 物块与桌面之间的动摩擦因数为 0.1。 取 g = 9.81 m/s²。 求系统的加速度 a。

m1 = 3.5 kgm2 = 5 kgμ = 0.1g = 9.81 m/s²
a = m/s²
5.抛体运动中等
v0​ = 36 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 = 36 m/sθ = 55°g = 9.81 m/s²
H = m
6.抛体运动困难
h = 45 mv0​ = 31 m/s40°v = ?

一个球从 45 m 高的悬崖顶部以 31 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。 求它落地时的速度 v。

v₀ = 31 m/sθ = 40°h = 45 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
7.圆周运动中等
r = 135 mvmax​ = ?

一辆汽车通过半径为 135 m 的水平弯道。轮胎与路面之间的静摩擦因数为 0.8。取 g = 9.81 m/s²。求汽车不打滑地通过弯道的最大速度 vmax。

r = 135 mμs = 0.8g = 9.81 m/s²
vmax = m/s
8.圆周运动困难
r = 1.5 mv = 9 m/s

一个 1.1 kg 的小球系在长 1.5 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 9 m/s。取 g = 9.81 m/s²。求最低点处绳中的张力 T。

m = 1.1 kgr = 1.5 mv = 9 m/sg = 9.81 m/s²
T = N
9.功和能中等
30°d = 10 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 10 m 后的速度 v。

θ = 30°μ = 0.2d = 10 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
10.功和能困难
h = 5 mL = 2 mμ = 0.2k = 800 N/m

一个 4 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 2 m 的粗糙水平段(μ = 0.2),然后在光滑表面上撞上一根弹簧(k = 800 N/m)。 求物块到达弹簧时的速度 v。

m = 4 kgh = 5 mL = 2 mμ = 0.2k = 800 N/mg = 9.81 m/s²
v = m/s
11.动量与碰撞中等
1 kgv = ?20 gh = 25 cm

一颗 20 g 的子弹水平射入一个用轻绳悬挂的 1 kg 木块,并留在其中。木块摆起,直到比初始位置高 25 cm。取 g = 9.81 m/s²。求子弹撞击前的速度 v。

m = 20 gM = 1 kgh = 25 cmg = 9.81 m/s²
v = m/s
12.动量与碰撞困难
1000 kg8 m/s800 kg9 m/sθ = ?

在一个十字路口,一辆以 8 m/s 向东行驶的 1000 kg 汽车与一辆以 9 m/s 向北行驶的 800 kg 汽车相撞。两车卡在一起。 求碰撞后瞬间残骸的方向 θ,以东偏北的角度表示。

m1 = 1000 kgv1 = 8 m/s (E)m2 = 800 kgv2 = 9 m/s (N)
θ = °
13.刚体转动中等
n = 1700 rpmTb​ = 145 N·mI = 17 kg·m²

转动惯量为 17 kg·m² 的飞轮以 1700 rpm 转动。制动器施加 145 N·m 的恒定摩擦转矩。 它需要多长时间 t 才能停下?

I = 17 kg·m²n = 1700 rpmTb = 145 N·m
t = 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。 求其质心的加速度 a。

θ = 20°I = (2/3)·m·r²g = 9.81 m/s²
a = m/s²
15.齿轮与齿轮系中等
N1​ = 25, m = 2.5 mm

一台 1.1 kW、转速 1440 rpm 的电动机驱动一个齿数为 25、模数为 2.5 mm 的小齿轮。求小齿轮齿上的切向力 Ft。

P = 1.1 kWn = 1440 rpmN1 = 25m = 2.5 mm
Ft = N
16.齿轮与齿轮系困难
A = 20B = 25C = 20D = 25

在一个复合轮系中,输入轴上的齿轮 A(20 齿)以 3000 rpm 转动,驱动齿轮 B(25 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(25 齿)。求输出转速 nout。

nin = 3000 rpmA = 20B = 25C = 20D = 25
nout = rpm
17.弹簧与单摆中等
2.4 kgk = 160 N/mA = 7 cmx = 5 cm

一个连在 k = 160 N/m 弹簧上的 2.4 kg 物体在无摩擦表面上以 7 cm 的振幅振动。求它距平衡位置 5 cm 时的速度 v。

m = 2.4 kgk = 160 N/mA = 7 cmx = 5 cm
v = m/s
18.弹簧与单摆困难
1.6 kgk = 400 N/mA = 18 cm

一个 1.6 kg 的物体连在 k = 400 N/m 的弹簧上,从平衡位置拉开 18 cm 后释放。 求振动的总能量 E。

m = 1.6 kgk = 400 N/mA = 18 cm
E = J
19.机械振动中等
k = 150 kN/mζ = 0.4m = 12 kg

一个 12 kg 的质量块挂在刚度为 150 kN/m 的弹簧上,黏性阻尼器使阻尼比为 0.4。求其自由振动的有阻尼固有频率 fd,以 Hz 计。

m = 12 kgk = 150 kN/mζ = 0.4
fd = Hz
20.机械振动困难
k1​ = 12k2​ = 30k3​ = 12m = 10 kg

一个 10 kg 的质量块悬挂在弹簧 k₃ = 12 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 = 12 kN/m 和 k₂ = 30 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 = 10 kgk1 = 12 kN/mk2 = 30 kN/mk3 = 12 kN/m
fn = Hz

3溶液

1.运动学

答案: s = 41.15 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/(2·6) = 41.15 m

答案

s = 41.15 m
2.运动学

答案: hmax = 18.26 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。

高出屋顶的高度

0 = v₀² − 2·g·Δh → Δh = 8²/(2·9.81) = 3.262 m

离地面的高度

hmax = 15 + 3.262 = 18.26 m

答案

hmax = 18.26 m
3.牛顿定律

答案: T = 55.23 N

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.

加速度

净驱动力是两个重量之差;它带动的是总质量。

a = (9.5 − 4)·9.81/(9.5 + 4) = 3.997 m/s²

由较轻物体求拉力

T − m2·g = m2·a → T = 4·(9.81 + 3.997) = 55.23 N

答案

T = 55.23 N
4.牛顿定律

答案: a = 5.367 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 − 3.434)/8.5 = 5.367 m/s²

答案

a = 5.367 m/s²
5.抛体运动

答案: H = 44.32 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 = 36·cos 55° = 20.65 m/s
vy = v0·sin θ = 36·sin 55° = 29.49 m/s

最高点

在最高点竖直速度为零:vy² = 2gH。

H = vy²/(2g) = 29.49²/(2·9.81) = 44.32 m

答案

H = 44.32 m
6.抛体运动

答案: v = 42.94 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.

分解初速度

vx = 31·cos 40° = 23.75 m/s
vy0 = 31·sin 40° = 19.93 m/s

落地时的竖直速度

用能量,或在竖直方向用 v² = v₀² + 2as。

vy = √(19.93² + 2·9.81·45) = 35.78 m/s

落水速度

v = √(23.75² + 35.78²) = 42.94 m/s

答案

v = 42.94 m/s

用能量校核:v² = v₀² + 2gh。

7.圆周运动

答案: vmax = 32.55 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) = √(0.8·9.81·135) = 32.55 m/s

答案

vmax = 32.55 m/s (117.2 km/h)
8.圆周运动

答案: T = 70.19 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 = 1.1·9.81 + 1.1·9²/1.5 = 10.79 + 59.4 = 70.19 N

答案

T = 70.19 N
9.功和能

答案: v = 8.007 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 = √(2·9.81·10·(0.5 − 0.2·0.866)) = 8.007 m/s

答案

v = 8.007 m/s
10.功和能

答案: v = 9.5 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 = 39.24·(5 − 0.2·2) = 180.5 J

到达弹簧时的速度

½mv² = mg(h − μL) → v = √(2g(h − μL)) = √(2·9.81·4.6) = 9.5 m/s

答案

v = 9.5 m/s
11.动量与碰撞

答案: v = 113 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) = √(2·9.81·0.25) = 2.215 m/s

碰撞

m·v = (m + M)·V → v = (0.02 + 1)·2.215/0.02 = 113 m/s

答案

v = 113 m/s
12.动量与碰撞

答案: θ = 41.99 °

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 = 1000·8 = 8000 kg·m/s
py = 800·9 = 7200 kg·m/s

方向

tan θ = py/px = 0.9 → θ = 41.99°

答案

θ = 41.99°
13.刚体转动

答案: t = 20.87 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·1700/60 = 178 rad/s

减速度和时间

α = Tb/I = 145/17 = 8.529 rad/s²
t = ω/α = 178/8.529 = 20.87 s

答案

t = 20.87 s
14.刚体转动

答案: a = 2.013 m/s²

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

答案

a = 2.013 m/s²
15.齿轮与齿轮系

答案: Ft = 233.4 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·1440/60 = 150.8 rad/s
T = P/ω = 1100/150.8 = 7.295 N·m

分度圆直径

d = m·N = 2.5·25 = 62.5 mm

切向力

Ft = 2T/d = 2·7.295/0.0625 = 233.4 N

答案

Ft = 233.4 N
16.齿轮与齿轮系

答案: nout = 1920 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 = 3000·20/25 = 2400 rpm = nC

第二级

nout = 2400·20/25 = 1920 rpm

答案

nout = 1920 rpm

总传动比 = 1.563 : 1

17.弹簧与单摆

答案: v = 0.4 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 = √(160/2.4) = 8.165 rad/s

x 处的速度

v = ω·√(A² − x²) = 8.165·√(0.07² − 0.05²) = 0.4 m/s

答案

v = 0.4 m/s
18.弹簧与单摆

答案: E = 6.48 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 = √(400/1.6) = 15.81 rad/s

能量

E = ½·k·A² = ½·400·0.18² = 6.48 J

答案

E = 6.48 J
19.机械振动

答案: fd = 16.31 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。

无阻尼固有频率

ωn = √(150000/12) = 111.8 rad/s
fn = 111.8/(2π) = 17.79 Hz

有阻尼固有频率

fd = fn·√(1 − ζ²) = 17.79·√(1 − 0.4²) = 16.31 Hz

答案

fd = 16.31 Hz
20.机械振动

答案: fn = 4.862 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 = 12 + 30 = 42 kN/m
keq = 42·12/(42 + 12) = 9.333 kN/m

固有频率

ωn = √(9333/10) = 30.55 rad/s
fn = 30.55/(2π) = 4.862 Hz

答案

fn = 4.862 Hz

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