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 s20

一辆以 72 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 = 72 km/ha = −5 m/s²v = 0
s = m
2.运动学困难
v₀ = 9 m/s35 m

从离地面 35 m 高的屋顶边缘以 9 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 = 9 m/sh₀ = 35 mg = 9.81 m/s²
hmax = m
3.牛顿定律中等
θ = 20°a = ?m = 18 kg

一个 18 kg 的物块沿倾角为 20° 的斜面下滑。动摩擦因数为 0.1。 取 g = 9.81 m/s²。求物块沿斜面的加速度 a。

m = 18 kgθ = 20°μ = 0.1g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.牛顿定律困难
m1​ = 7 kg5.5 kgμ = 0.2

水平桌面上一个 7 kg 的物块通过跨过光滑滑轮的轻绳与一个悬挂的 5.5 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。 求系统的加速度 a。

m1 = 7 kgm2 = 5.5 kgμ = 0.2g = 9.81 m/s²
a = m/s²
5.抛体运动中等
v0​ = ?35°R = 55 m

一个球从水平地面以与水平方向成 35° 的角度抛出,落在 55 m 远处。忽略空气阻力,取 g = 9.81 m/s²。求抛出速度 v0。

θ = 35°R = 55 mg = 9.81 m/s²
v0 = m/s
6.抛体运动困难
h = 45 mv0​ = 23 m/s50°H = ?

一个球从 45 m 高的悬崖顶部以 23 m/s、与水平方向成 50° 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 = 23 m/sθ = 50°h = 45 mg = 9.81 m/s²
H = m
7.圆周运动中等
r = 1.7 mn = ?

在游乐场的转筒中,乘客背靠在半径为 1.7 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 0.5。取 g = 9.81 m/s²。 求最小转速 n,以每分钟转数表示。

r = 1.7 mμs = 0.5g = 9.81 m/s²
n = rpm
8.圆周运动困难
r = 0.6 mv = ?

一个小球系在长 0.6 m 的绳上,在竖直平面内做圆周运动。取 g = 9.81 m/s²。在最高点处,速度至少为多少 vmin 才能使绳子恰好保持绷紧?

r = 0.6 mg = 9.81 m/s²
vmin = m/s
9.功和能中等
45°d = 2 mμ = 0.1

一个物块由静止沿倾角 45° 的斜面下滑。动摩擦因数为 0.1。求它沿斜面滑行 2 m 后的速度 v。

θ = 45°μ = 0.1d = 2 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
10.功和能困难
2 kg5 kgμ = 0.15d = 1.5 m

一个 2 kg 的物块放在粗糙的水平桌面上(μ = 0.15)。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 1.5 m 后两物块的速度 v。

m1 = 2 kgm2 = 5 kgμ = 0.15d = 1.5 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
11.动量与碰撞中等
1 kg70 m/s8 kgv′2​ = ?

一个以 13 m/s 水平运动的 9 kg 抛射体爆炸成沿同一直线运动的两块碎片。1 kg 的碎片以 70 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 = 9 kgu = 13 m/sm1 = 1 kgv′1 = 70 m/sm2 = 8 kg
v′2 = m/s
12.动量与碰撞困难
10 m/s19 m/s

一个 0.2 kg 的小球以 10 m/s 撞到墙上,并以 19 m/s 沿原路弹回。接触时间为 40 ms。 求墙给小球的冲量大小 J。

m = 0.2 kgvin = 10 m/svout = 19 m/sΔt = 40 ms
J = N·s
13.刚体转动中等
ω = ?L = 2.1 mm = 5.5 kg

质量为 5.5 kg、长为 2.1 m 的均匀细杆一端铰接,在水平位置从静止释放。 忽略摩擦,取 g = 9.81 m/s²。 求杆摆过竖直位置时的角速度 ω。

m = 5.5 kgL = 2.1 mg = 9.81 m/s²
ω = rad/s
14.刚体转动困难
θ = 25°a

一个薄圆环沿与水平面成 25° 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 = 25°I = m·r²g = 9.81 m/s²
a = m/s²
15.齿轮与齿轮系中等
N1​N2​ = ?

两根平行轴相距 180 mm。须用一对模数为 2 mm、减速比为 5 : 1 的直齿圆柱齿轮把它们连接起来。 大齿轮须有多少个齿 N2?

a = 180 mmm = 2 mmi = 5
N2 =
16.齿轮与齿轮系困难
A = 25B = 30C = 24D = 36

一台 5.5 kW、2900 rpm 的电动机驱动齿轮 A(25 齿),A 与齿轮 B(30 齿)啮合。与 B 同轴的齿轮 C(24 齿)驱动输出轴上的齿轮 D(36 齿)。每对齿轮啮合的效率为 95%。求输出转矩 Tout。

P = 5.5 kWnin = 2900 rpmA = 25B = 30C = 24D = 36ηmesh = 95%
Tout = N·m
17.弹簧与单摆中等
L = ?

要使单摆的周期为 1 s,摆长应为多少?取 g = 9.81 m/s²。求 L。

T = 1 sg = 9.81 m/s²
L = m
18.弹簧与单摆困难
0.5 kgk = 800 N/m200 m/s

一颗以 200 m/s 运动的 15 g 子弹击中并留在一个放在无摩擦表面上的 0.5 kg 木块中。木块连在一根 k = 800 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 = 15 gv = 200 m/sM = 0.5 kgk = 800 N/m
A = cm
19.机械振动中等
tx40 mm5 个周期11.4 mm

在有阻尼质量–弹簧系统的自由振动试验中,位移峰值 40 mm 之后 5 个周期出现峰值 11.4 mm。 求阻尼比 ζ。

x0 = 40 mmx5 = 11.4 mmn = 5
ζ =
20.机械振动困难
k1​ = 25k2​ = 60m = 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 = 25 kN/m,下弹簧 k₂ = 60 kN/m。 求弹簧系统的等效刚度 keq,以 kN/m 计。

m = 100 kgk1 = 25 kN/mk2 = 60 kN/m
keq = kN/m

3溶液

1.运动学

答案: s = 40 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 = 72/3.6 = 20 m/s

制动距离

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 20²/(2·5) = 40 m

答案

s = 40 m
2.运动学

答案: hmax = 39.13 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 = 9²/(2·9.81) = 4.128 m

离地面的高度

hmax = 35 + 4.128 = 39.13 m

答案

hmax = 39.13 m
3.牛顿定律

答案: a = 2.433 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 20° − 0.1·cos 20°) = 9.81·(0.342 − 0.09397) = 2.433 m/s²

答案

a = 2.433 m/s²
4.牛顿定律

答案: a = 3.218 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) = (53.96 − 13.73)/12.5 = 3.218 m/s²

答案

a = 3.218 m/s²
5.抛体运动

答案: v0 = 23.96 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.

从射程公式求 v₀

v₀ = √(g·R/sin 2θ) = √(9.81·55/sin 70°) = 23.96 m/s

答案

v0 = 23.96 m/s
6.抛体运动

答案: H = 60.82 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 = 23·sin 50° = 17.62 m/s

高出悬崖的上升高度

Δh = vy²/(2g) = 17.62²/(2·9.81) = 15.82 m

离地面的高度

H = 45 + 15.82 = 60.82 m

答案

H = 60.82 m
7.圆周运动

答案: n = 32.44 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/(0.5·1.7)) = 3.397 rad/s

转速

n = ω·60/(2π) = 32.44 rpm

答案

n = 32.44 rpm
8.圆周运动

答案: vmin = 2.426 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。

最高点张力为零

m·g = m·v²/r → v = √(g·r) = √(9.81·0.6) = 2.426 m/s

答案

vmin = 2.426 m/s
9.功和能

答案: v = 4.997 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 = √(2·9.81·2·(0.7071 − 0.1·0.7071)) = 4.997 m/s

答案

v = 4.997 m/s
10.功和能

答案: v = 4.445 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 = 49.05·1.5 = 73.58 J
μ·m₁g·d = 0.15·19.62·1.5 = 4.415 J

两个物块的动能

½(m₁ + m₂)v² = 69.16 → v = √(2·69.16/7) = 4.445 m/s

答案

v = 4.445 m/s
11.动量与碰撞

答案: v′2 = 5.875 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 = 9·13 = 117 kg·m/s

碰撞后的动量

117 = 1·70 + 8·v′2
v′2 = (117 − 70)/8 = 5.875 m/s

答案

v′2 = 5.875 m/s
12.动量与碰撞

答案: J = 5.8 N·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。

动量的变化量

J = m·Δv = 0.2·(19 + 10) = 5.8 N·s

答案

J = 5.8 N·s
13.刚体转动

答案: ω = 3.744 rad/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.

势能的减少

m·g·L/2 = 5.5·9.81·1.05 = 56.65 J

对销钉的转动惯量

IO = m·L²/3 = 5.5·2.1²/3 = 8.085 kg·m²

能量衡算

½·IO·ω² = 56.65 → ω = √(2·56.65/8.085) = 3.744 rad/s

答案

ω = 3.744 rad/s
14.刚体转动

答案: a = 2.073 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 = 1·m·r²·(a/r) → f = 1·m·a

加速度

a = g·sin θ/(1 + c) = 9.81·sin 25°/2 = 2.073 m/s²

答案

a = 2.073 m/s²
15.齿轮与齿轮系

答案: N2 = 150

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.

总齿数

N1 + N2 = 2a/m = 2·180/2 = 180

按传动比分配

N1 = 180/(1 + 5) = 30
N2 = 5·30 = 150

答案

N2 = 150
16.齿轮与齿轮系

答案: Tout = 29.42 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 = 2900·(25/30)·(24/36) = 1611 rpm
ωout = 2π·1611/60 = 168.7 rad/s

输出功率和转矩

Pout = 5500·0.95² = 4964 W
Tout = Pout/ωout = 4964/168.7 = 29.42 N·m

答案

Tout = 29.42 N·m
17.弹簧与单摆

答案: L = 0.2485 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·(1/2π)² = 0.2485 m

答案

L = 0.2485 m
18.弹簧与单摆

答案: A = 14.78 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) = 0.015·200/0.515 = 5.825 m/s

角频率

ω = √(k/(m + M)) = √(800/0.515) = 39.41 rad/s

振幅

A = V/ω = 5.825/39.41 = 0.1478 m = 14.78 cm

答案

A = 14.78 cm
19.机械振动

答案: ζ = 0.03992

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 = (1/5)·ln(40/11.4) = 0.2511

阻尼比

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0.2511/√(39.48 + 0.06303) = 0.03992

答案

ζ = 0.03992
20.机械振动

答案: keq = 17.65 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

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 = 1/25 + 1/60 → keq = 25·60/(25 + 60) = 17.65 kN/m

答案

keq = 17.65 kN/m

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