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)1.4 s22.22

一位以 80 km/h 行驶的司机看到一个障碍物。她的反应时间为 1.4 s,之后汽车以 6.5 m/s² 的恒定减速度制动。求从她看到障碍物起的总停车距离 d。

v₀ = 80 km/htr = 1.4 sa = −6.5 m/s²
d = m
2.运动学困难
v₀ = 18 m/s15 m

从离地面 15 m 高的屋顶边缘以 18 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 = 18 m/sh₀ = 15 mg = 9.81 m/s²
hmax = m
3.牛顿定律中等
θ = 45°a = ?m = 15 kg

一个 15 kg 的物块沿倾角为 45° 的斜面下滑。动摩擦因数为 0.2。 取 g = 9.81 m/s²。求物块沿斜面的加速度 a。

m = 15 kgθ = 45°μ = 0.2g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.牛顿定律困难
m1​ = 8.5 kg9 kgθ = 30°

倾角为 30° 的斜面上有一个 8.5 kg 的物块,它通过一根跨过斜面顶端无摩擦滑轮的轻绳与一个悬挂的 9 kg 物体相连。悬挂物向下运动。 物块与斜面之间的动摩擦因数为 0.2。 取 g = 9.81 m/s²。 求系统的加速度 a。

m1 = 8.5 kgm2 = 9 kgθ = 30°μ = 0.2g = 9.81 m/s²
a = m/s²
5.抛体运动中等
v0​ = 34 m/s60°x = ?

一个球 从平地上以高于水平面 60° 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 = 60°g = 9.81 m/s²
x = m
6.抛体运动困难
h = 35 mv0​ = 13 m/s20°v = ?

一个球从 35 m 高的悬崖顶部以 13 m/s、与水平方向成 20° 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 = 13 m/sθ = 20°h = 35 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
7.圆周运动中等
θ = ?指向圆心60 km/h

一位道路工程师希望汽车以 60 km/h 通过半径为 360 m 的弯道时不依赖摩擦力。取 g = 9.81 m/s²。求弯道的倾角 θ。

r = 360 mv = 60 km/hg = 9.81 m/s²
θ = °
8.圆周运动困难
r = 0.9 m12 m/svtop​ = ?

一个 1.9 kg 的球系在长 0.9 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 12 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 = 1.9 kgr = 0.9 mvbottom = 12 m/sg = 9.81 m/s²
Ttop = N
9.功和能中等
40°d = 5 mμ = 0.3

一个物块由静止沿倾角 40° 的斜面下滑。动摩擦因数为 0.3。求它沿斜面滑行 5 m 后的速度 v。

θ = 40°μ = 0.3d = 5 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
10.功和能困难
h = 2 mL = 2.5 mμ = 0.2k = 1500 N/m

一个 1 kg 的物块从光滑坡道上 2 m 高处由静止释放。到达底部后,它通过一段长 2.5 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 = 1500 N/m)。 求弹簧的最大压缩量 x。

m = 1 kgh = 2 mL = 2.5 mμ = 0.2k = 1500 N/mg = 9.81 m/s²
x = cm
11.动量与碰撞中等
5 kgv = ?15 gh = 12 cm

一颗 15 g 的子弹水平射入一个用轻绳悬挂的 5 kg 木块,并留在其中。木块摆起,直到比初始位置高 12 cm。取 g = 9.81 m/s²。求子弹撞击前的速度 v。

m = 15 gM = 5 kgh = 12 cmg = 9.81 m/s²
v = m/s
12.动量与碰撞困难
1900 kgv1​ = ?1200 kg

一辆 1900 kg 的汽车撞上一辆停放的 1200 kg 汽车。两车残骸卡在一起,滑行 21.5 m 后停止。轮胎与路面之间的动摩擦因数为 0.6。取 g = 9.81 m/s²。求碰撞前瞬间第一辆汽车的速度 v1。

m1 = 1900 kgm2 = 1200 kgd = 21.5 mμ = 0.6g = 9.81 m/s²
v1 = m/s
13.刚体转动中等
n = 800 rpmP = 8 kW

一根轴在 800 rpm 时传递 8 kW。求轴中的转矩 T。

P = 8 kWn = 800 rpm
T = N·m
14.刚体转动困难
3 m/sω

一个质量为 0.5 kg 的空心球以 3 m/s 的速度无滑动地滚动。 求它的总动能 Ek。

m = 0.5 kgv = 3 m/sI = (2/3)·m·r²
Ek = J
15.齿轮与齿轮系中等
Nw​ = 36z = 4, 1450 rpm

一个 4 头的蜗杆以 1450 rpm 转动,驱动一个 36 齿的蜗轮。求蜗轮的转速 nw。

z = 4Nw = 36n = 1450 rpm
nw = rpm
16.齿轮与齿轮系困难
A = 32B = 45C = 16D = 20

在一个复合轮系中,输入轴上的齿轮 A(32 齿)以 1440 rpm 转动,驱动齿轮 B(45 齿)。齿轮 C(16 齿)与 B 固定在同一根轴上,驱动输出轴上的齿轮 D(20 齿)。求输出转速 nout。

nin = 1440 rpmA = 32B = 45C = 16D = 20
nout = rpm
17.弹簧与单摆中等
L = 1.5 m

一个单摆的摆长为 1.5 m。取 g = 9.81 m/s²。求小角度摆动时的周期 T。

L = 1.5 mg = 9.81 m/s²
T = s
18.弹簧与单摆困难
t (s)x (cm)t = ?8

一个物体做简谐振动,周期为 0.5 s,振幅为 20 cm。 它从平衡位置运动到位移 8 cm 处所需的最短时间 t 是多少?

T = 0.5 sA = 20 cmx = 8 cm
t = s
19.机械振动中等
k = 100 kN/mc = 3870 N·s/mm = 150 kg

一个 150 kg 的质量块由刚度为 100 kN/m 的弹簧和阻尼系数为 3870 N·s/m 的黏性阻尼器支承。求阻尼比 ζ。

m = 150 kgk = 100 kN/mc = 3870 N·s/m
ζ =
20.机械振动困难
k1​ = 40k2​ = 25m = 40 kg

一个 40 kg 的质量块悬挂在首尾相接(串联)的两根弹簧上:上弹簧 k₁ = 40 kN/m,下弹簧 k₂ = 25 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 = 40 kgk1 = 40 kN/mk2 = 25 kN/m
fn = Hz

3溶液

1.运动学

答案: d = 69.1 m

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.

单位

v₀ = 80/3.6 = 22.22 m/s

反应距离

d1 = v₀·tr = 22.22·1.4 = 31.11 m

制动距离

d2 = v₀²/(2a) = 22.22²/(2·6.5) = 37.99 m

合计

d = 31.11 + 37.99 = 69.1 m

答案

d = 69.1 m
2.运动学

答案: hmax = 31.51 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 = 18²/(2·9.81) = 16.51 m

离地面的高度

hmax = 15 + 16.51 = 31.51 m

答案

hmax = 31.51 m
3.牛顿定律

答案: a = 5.549 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 45° − 0.2·cos 45°) = 9.81·(0.7071 − 0.1414) = 5.549 m/s²

答案

a = 5.549 m/s²
4.牛顿定律

答案: a = 1.837 m/s²

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.

沿绳子方向的力

m₂·g = 88.29 N
m₁·g·sin θ = 41.69 N
μ·m₁·g·cos θ = 14.44 N

系统的加速度

a = (88.29 − 41.69 − 14.44)/17.5 = 1.837 m/s²

答案

a = 1.837 m/s²
5.抛体运动

答案: x = 102.1 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 60° = 17 m/s
vy = v0·sin θ = 34·sin 60° = 29.44 m/s

飞行时间

起点与落点等高:t = 2vy/g。

t = 2·29.44/9.81 = 6.003 s

水平距离

x = vx·t = 17·6.003 = 102.1 m

答案

x = 102.1 m
6.抛体运动

答案: v = 29.25 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 = 13·cos 20° = 12.22 m/s
vy0 = 13·sin 20° = 4.446 m/s

落地时的竖直速度

用能量,或在竖直方向用 v² = v₀² + 2as。

vy = √(4.446² + 2·9.81·35) = 26.58 m/s

落水速度

v = √(12.22² + 26.58²) = 29.25 m/s

答案

v = 29.25 m/s

用能量校核:v² = v₀² + 2gh。

7.圆周运动

答案: θ = 4.497 °

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.

单位

v = 60/3.6 = 16.67 m/s

弯道倾角

tan θ = v²/(r·g) = 16.67²/(360·9.81) = 0.07865
θ = 4.497°

答案

θ = 4.497°
8.圆周运动

答案: Ttop = 210.8 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.

顶点的速度

在高度 2r 上,动能转化为势能。

vtop² = 12² − 4·9.81·0.9 = 108.7 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 = 1.9·108.7/0.9 − 1.9·9.81 = 210.8 N

答案

Ttop = 210.8 N
9.功和能

答案: v = 6.365 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 = √(2·9.81·5·(0.6428 − 0.3·0.766)) = 6.365 m/s

答案

v = 6.365 m/s
10.功和能

答案: x = 14.01 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 = 9.81·(2 − 0.2·2.5) = 14.71 J

最大压缩量

½kx² = 14.71 → x = √(2·14.71/1500) = 0.1401 m = 14.01 cm

答案

x = 14.01 cm
11.动量与碰撞

答案: v = 513 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) = √(2·9.81·0.12) = 1.534 m/s

碰撞

m·v = (m + M)·V → v = (0.015 + 5)·1.534/0.015 = 513 m/s

答案

v = 513 m/s
12.动量与碰撞

答案: v1 = 25.96 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.

碰撞后的速度

V = √(2·μ·g·d) = √(2·0.6·9.81·21.5) = 15.91 m/s

碰撞中的动量

m1·v1 = (m1 + m2)·V → v1 = 3100·15.91/1900 = 25.96 m/s

答案

v1 = 25.96 m/s
(93.44 km/h)
13.刚体转动

答案: T = 95.49 N·m

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

扭矩

T = P/ω = 8000/83.78 = 95.49 N·m

答案

T = 95.49 N·m
14.刚体转动

答案: Ek = 3.75 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 = ½·0.5·3² = 2.25 J
Erot = ½·I·ω² = ½·0.6667·m·r²·(v/r)² = 0.6667·2.25 = 1.5 J

合计

Ek = 2.25 + 1.5 = 3.75 J

答案

Ek = 3.75 J
15.齿轮与齿轮系

答案: nw = 161.1 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 = 1450·4/36 = 161.1 rpm

答案

nw = 161.1 rpm
16.齿轮与齿轮系

答案: nout = 819.2 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 = 1440·32/45 = 1024 rpm = nC

第二级

nout = 1024·16/20 = 819.2 rpm

答案

nout = 819.2 rpm

总传动比 = 1.758 : 1

17.弹簧与单摆

答案: T = 2.457 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。

单摆周期

T = 2π·√(1.5/9.81) = 2.457 s

答案

T = 2.457 s
18.弹簧与单摆

答案: t = 0.03275 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 = 2π/T = 2π/0.5 = 12.57 rad/s

求解时间

0.4 = sin(ω·t) → ω·t = arcsin(0.4) = 0.4115 rad
t = 0.4115/12.57 = 0.03275 s

答案

t = 0.03275 s
19.机械振动

答案: ζ = 0.4996

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·√(100000·150) = 7746 N·s/m

阻尼比

ζ = c/cc = 3870/7746 = 0.4996

答案

ζ = 0.4996

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 = 3.121 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 = 1/40 + 1/25 → keq = 40·25/(40 + 25) = 15.38 kN/m

固有频率

ωn = √(15385/40) = 19.61 rad/s
fn = 19.61/(2π) = 3.121 Hz

答案

fn = 3.121 Hz

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