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
a = ?s = 900 m

一架飞机起飞需要 200 km/h 的速度,可用跑道长 900 m。从静止开始,它需要多大的恒定加速度 a?

v₀ = 0v = 200 km/hs = 900 m
a = m/s²
2.运动学困难
v₀ = 7 m/s35 m

从离地面 35 m 高的屋顶边缘以 7 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 = 7 m/sh₀ = 35 mg = 9.81 m/s²
t = s
3.牛顿定律中等
箱子v₀ = 2.5 m/sμ = ?

一个箱子以 2.5 m/s 的初速度在水平地面上滑动,滑行 6.4 m 后停止。取 g = 9.81 m/s²。求动摩擦因数 μ。

v₀ = 2.5 m/sd = 6.4 mg = 9.81 m/s²
μ =
4.牛顿定律困难
θ = 15°物块v₀ = 5 m/s

一个物块被推了一下,以 5 m/s 的速度开始沿 15° 的斜面向上滑动。动摩擦因数为 0.3。取 g = 9.81 m/s²。它沿斜面滑行多远 d 后停止?

v₀ = 5 m/sθ = 15°μ = 0.3g = 9.81 m/s²
d = m
5.抛体运动中等
v0​ = 28 m/s20°射程

一个球 从平地上以高于水平面 20° 的角度抛出。忽略空气阻力。求球落地前的飞行时间 t。

v0 = 28 m/sθ = 20°g = 9.81 m/s²
t = s
6.抛体运动困难
h = 10 mv0​ = 11 m/s45°α = ?

一个球从 10 m 高的悬崖顶部以 11 m/s、与水平方向成 45° 的角度抛出。忽略空气阻力,取 g = 9.81 m/s²。 它落地时与水平方向向下成多大角度 α?

v₀ = 11 m/sθ = 45°h = 10 mg = 9.81 m/s²
α = °
7.圆周运动中等
r = 100 mvmax​ = ?

一辆汽车通过半径为 100 m 的水平弯道。轮胎与路面之间的静摩擦因数为 0.3。取 g = 9.81 m/s²。求汽车不打滑地通过弯道的最大速度 vmax。

r = 100 mμs = 0.3g = 9.81 m/s²
vmax = m/s
8.圆周运动困难
R = 7 mh = 27.3 m

一辆 3.5 kg 的小车在无摩擦轨道上从 27.3 m 高处由静止释放,驶过一个半径为 7 m 的竖直圆环。取 g = 9.81 m/s²。 求小车在圆环顶部时轨道对它的法向力 Ntop。

m = 3.5 kgh = 27.3 mR = 7 mg = 9.81 m/s²
Ntop = N
9.功和能中等
70 km/h

一辆汽车在水平路面上以 70 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 = 70 km/hμ = 0.4g = 9.81 m/s²
d = m
10.功和能困难
F = 165 N25°μ = 0.315 kg

一个 15 kg 的物块从 25° 斜坡的底部由静止开始,被一个平行于斜坡、大小为 165 N 的恒力沿斜坡向上拉。动摩擦因数为 0.3。求物块沿斜坡向上移动 3 m 后的速度 v。

m = 15 kgF = 165 Nθ = 25°μ = 0.3d = 3 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
11.动量与碰撞中等
4.5 kg2 m/s1.5 kg

在无摩擦的导轨上,一个以 2 m/s 运动的 4.5 kg 滑块与一个静止的 1.5 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 = 4.5 kgm2 = 1.5 kgv1 = 2 m/sv2 = 0
v′2 = m/s
12.动量与碰撞困难
10 m/s11 m/s

一个 0.6 kg 的小球以 10 m/s 撞到墙上,并以 11 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 = 10 m/svout = 11 m/sΔt = 25 ms
Favg = N
13.刚体转动中等
L = 1.8 mm = 11 kgα

质量为 11 kg、长为 1.8 m 的均匀细杆一端铰接,保持水平。从静止释放。取 g = 9.81 m/s²。 求释放瞬间销钉对杆的竖直力 R。

m = 11 kgL = 1.8 mg = 9.81 m/s²
R = N
14.刚体转动困难
θ = 40°vs = 7 m

一个实心球从静止开始,沿与水平面成 40° 的斜面无滑动地滚下。取 g = 9.81 m/s²。 求它沿斜面滚过 7 m 后的速度 v。

θ = 40°s = 7 mI = (2/5)·m·r²g = 9.81 m/s²
v = m/s
15.齿轮与齿轮系中等
N1​ = 20N2​ = 30

一台 2.2 kW 的电动机以 2900 rpm 运转,驱动一个齿数为 20 的小齿轮,小齿轮与一个齿数为 30 的大齿轮啮合。 该齿轮副的效率为 95%。 求电动机轴上的扭矩 T1。

P = 2.2 kWn1 = 2900 rpmN1 = 20N2 = 30η = 95%
T1 = N·m
16.齿轮与齿轮系困难
A = 18B = 80C = 32D = 40

在一个复合轮系中,输入轴上的齿轮 A(18 齿)以 960 rpm 转动,驱动齿轮 B(80 齿)。齿轮 C(32 齿)与 B 固定在同一根轴上,驱动输出轴上的齿轮 D(40 齿)。求输出转速 nout。

nin = 960 rpmA = 18B = 80C = 32D = 40
nout = rpm
17.弹簧与单摆中等
t (s)x (cm)0.75 s

一个连在 k = 20 N/m 弹簧上的 3.3 kg 物体被沿正方向拉开 5 cm,在 t = 0 时由静止释放。 求 t = 0.75 s 时它相对于平衡位置的位移 x(带符号)。

m = 3.3 kgk = 20 N/mA = 5 cmt = 0.75 s
x = cm
18.弹簧与单摆困难
0.9 kgk = 110 N/mA = 18 cm

一个 0.9 kg 的物体连在 k = 110 N/m 的弹簧上,从平衡位置拉开 18 cm 后释放。 求它的最大加速度 amax。

m = 0.9 kgk = 110 N/mA = 18 cm
amax = m/s²
19.机械振动中等
k = 12 kN/mc = 390 N·s/mm = 50 kg

一个 50 kg 的质量块由刚度为 12 kN/m 的弹簧和阻尼系数为 390 N·s/m 的黏性阻尼器支承。求阻尼比 ζ。

m = 50 kgk = 12 kN/mc = 390 N·s/m
ζ =
20.机械振动困难
k1​ = 25k2​ = 20k3​ = 5m = 100 kg

一个 100 kg 的质量块悬挂在弹簧 k₃ = 5 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 = 25 kN/m 和 k₂ = 20 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 = 25 kN/mk2 = 20 kN/mk3 = 5 kN/m
fn = Hz

3溶液

1.运动学

答案: a = 1.715 m/s²

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

v = 200/3.6 = 55.56 m/s

加速度

a = v²/(2s) = 55.56²/(2·900) = 1.715 m/s²

答案

a = 1.715 m/s²
2.运动学

答案: t = 3.478 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。

−35 = 7·t − ½·9.81·t²
4.905·t² − 7·t − 35 = 0

解一元二次方程

只有正根有物理意义。

t = (7 + √(7² + 2·9.81·35))/9.81 = 3.478 s

答案

t = 3.478 s
3.牛顿定律

答案: μ = 0.04977

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) = 2.5²/(2·6.4) = 0.4883 m/s²

摩擦因数

μ·m·g = m·a → μ = a/g = 0.4883/9.81 = 0.04977

答案

μ = 0.04977
4.牛顿定律

答案: d = 2.323 m

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

两个力都沿斜面向下;质量约去。

a = 9.81·(sin 15° + 0.3·cos 15°) = 5.382 m/s²

距离

d = v₀²/(2a) = 5²/(2·5.382) = 2.323 m

答案

d = 2.323 m
5.抛体运动

答案: t = 1.952 s

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 = 28·cos 20° = 26.31 m/s
vy = v0·sin θ = 28·sin 20° = 9.577 m/s

飞行时间

起点与落点等高:t = 2vy/g。

t = 2·9.577/9.81 = 1.952 s

答案

t = 1.952 s
6.抛体运动

答案: α = 64.1 °

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 = 11·cos 45° = 7.778 m/s
vy0 = 11·sin 45° = 7.778 m/s

落地时的竖直速度

用能量,或在竖直方向用 v² = v₀² + 2as。

vy = √(7.778² + 2·9.81·10) = 16.02 m/s

落地角度

tan α = vy/vx = 16.02/7.778 → α = 64.1°

答案

α = 64.1°
7.圆周运动

答案: vmax = 17.16 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) = √(0.3·9.81·100) = 17.16 m/s

答案

vmax = 17.16 m/s (61.76 km/h)
8.圆周运动

答案: Ntop = 96.14 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·(27.3 − 2·7) = 260.9 m²/s²

受力

指向圆心为正。

N = m·v²/R − m·g = 3.5·260.9/7 − 34.34 = 96.14 N

答案

Ntop = 96.14 N
9.功和能

答案: d = 48.18 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 = 70/3.6 = 19.44 m/s

能量衡算

½mv² = μmg·d → d = v²/(2μg) = 19.44²/(2·0.4·9.81) = 48.18 m

答案

d = 48.18 m

速度加倍,制动距离变为四倍。

10.功和能

答案: v = 5.012 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)。

沿斜面方向的力

m·g = 15·9.81 = 147.2 N
mg·sin θ = 62.19 N
μ·mg·cos θ = 40.01 N

功–能关系

½mv² = (165 − 102.2)·3 = 188.4 J
v = √(2·188.4/15) = 5.012 m/s

答案

v = 5.012 m/s
11.动量与碰撞

答案: v′2 = 3 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 = (4.5 − 1.5)/(4.5 + 1.5)·2 = 1 m/s
v′2 = 2·4.5/(4.5 + 1.5)·2 = 3 m/s

答案

v′2 = 3 m/s
12.动量与碰撞

答案: Favg = 504 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·(11 + 10) = 12.6 N·s

平均作用力

Favg = J/Δt = 12.6/0.025 = 504 N

答案

Favg = 504 N
13.刚体转动

答案: R = 26.98 N

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.

对销钉取矩

在释放的瞬间 ω = 0,所以没有向心加速度,质心笔直向下加速。

m·g·L/2 = (m·L²/3)·α → α = 3g/(2L) = 3·9.81/(2·1.8) = 8.175 rad/s²

竖直方向的力

aG = α·L/2 = 7.357 m/s²
m·g − R = m·aG → R = 11·(9.81 − 7.357) = 26.98 N

答案

R = 26.98 N

R = m·g/4,与长度无关。

14.刚体转动

答案: v = 7.941 m/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.

下降的高度

h = s·sin θ = 7·sin 40° = 4.5 m

滚动时的能量平衡

无滑动滚动:ω = v/r,接触点处的摩擦力不做功。

m·g·h = ½·m·v²·(1 + 0.4)
v = √(2·9.81·4.5/1.4) = 7.941 m/s

答案

v = 7.941 m/s
15.齿轮与齿轮系

答案: T1 = 7.244 N·m

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。

电动机扭矩

ω₁ = 2π·2900/60 = 303.7 rad/s
T1 = P/ω₁ = 2200/303.7 = 7.244 N·m

答案

T1 = 7.244 N·m
16.齿轮与齿轮系

答案: nout = 172.8 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 = 960·18/80 = 216 rpm = nC

第二级

nout = 216·32/40 = 172.8 rpm

答案

nout = 172.8 rpm

总传动比 = 5.556 : 1

17.弹簧与单摆

答案: x = −1.361 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.

角频率

ω = √(20/3.3) = 2.462 rad/s
ω·t = 2.462·0.75 = 1.846 rad

位移

x = A·cos(ω·t) = 5·cos(1.846) = −1.361 cm

答案

x = −1.361 cm
18.弹簧与单摆

答案: amax = 22 m/s²

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 = √(110/0.9) = 11.06 rad/s

最大加速度

amax = A·ω² = 0.18·11.06² = 22 m/s²

答案

amax = 22 m/s²
19.机械振动

答案: ζ = 0.2517

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·√(12000·50) = 1549 N·s/m

阻尼比

ζ = c/cc = 390/1549 = 0.2517

答案

ζ = 0.2517

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 = 1.068 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 = 25 + 20 = 45 kN/m
keq = 45·5/(45 + 5) = 4.5 kN/m

固有频率

ωn = √(4500/100) = 6.708 rad/s
fn = 6.708/(2π) = 1.068 Hz

答案

fn = 1.068 Hz

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