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)t = ?12.5

一辆以 45 km/h 行驶的汽车以 6 m/s² 的恒定减速度制动,直到停下。 制动需要多长时间?求 t。

v₀ = 45 km/ha = −6 m/s²v = 0
t = s
2.运动学困难
v₀ = 6 m/s15 m

从离地面 15 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 = 15 mg = 9.81 m/s²
t = s
3.牛顿定律中等
θ = 25°a = ?m = 7 kg

一个 7 kg 的物块沿倾角为 25° 的斜面下滑。动摩擦因数为 0.25。 取 g = 9.81 m/s²。求物块沿斜面的加速度 a。

m = 7 kgθ = 25°μ = 0.25g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.牛顿定律困难
θ = 25°物块v₀ = 11.5 m/s

一个物块被推了一下,以 11.5 m/s 的速度开始沿 25° 的斜面向上滑动。动摩擦因数为 0.25。取 g = 9.81 m/s²。它沿斜面滑行多远 d 后停止?

v₀ = 11.5 m/sθ = 25°μ = 0.25g = 9.81 m/s²
d = m
5.抛体运动中等
v0​ = ?50°R = 80 m

一个球从水平地面以与水平方向成 50° 的角度抛出,落在 80 m 远处。忽略空气阻力,取 g = 9.81 m/s²。求抛出速度 v0。

θ = 50°R = 80 mg = 9.81 m/s²
v0 = m/s
6.抛体运动困难
h = 30 mv0​ = 13 m/s20°H = ?

一个球从 30 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。求它高出悬崖脚下地面的最大高度 H。

v₀ = 13 m/sθ = 20°h = 30 mg = 9.81 m/s²
H = m
7.圆周运动中等
r = 55 m9 m/s

一辆 1800 kg 的汽车以 9 m/s 驶过路面上的一个凸起的顶部。凸起的顶部是半径为 55 m 的圆弧。取 g = 9.81 m/s²。求顶部路面对汽车的法向力 N。

m = 1800 kgv = 9 m/sr = 55 mg = 9.81 m/s²
N = N
8.圆周运动困难
R = 7 mh = 25.2 m

一辆 4 kg 的小车在无摩擦轨道上从 25.2 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 = 4 kgh = 25.2 mR = 7 mg = 9.81 m/s²
Ntop = N
9.功和能中等
0.05 kgk = 1000 N/mh = ?

一个玩具发射器有一根刚度为 1000 N/m 的竖直弹簧。把一个 0.05 kg 的球放在上面,将弹簧压缩 3 cm,然后释放。忽略空气阻力和弹簧质量,求球上升的高度 h,从弹簧压缩时球的位置量起。

m = 0.05 kgk = 1000 N/mx = 3 cmg = 9.81 m/s²
h = m
10.功和能困难
k = 500 N/m40°μ = 0.150.5 kg

在 40° 斜坡底部有一根刚度为 500 N/m 的弹簧,它顶着一个 0.5 kg 的物块被压缩 10 cm,然后释放。物块与斜坡之间的动摩擦因数为 0.15。物块从释放点沿斜坡向上滑行多远 d 后停下?(忽略弹簧推动的那一小段距离,即在整个距离 d 上都计入摩擦和重力。)

m = 0.5 kgk = 500 N/mx = 10 cmθ = 40°μ = 0.15g = 9.81 m/s²
d = m
11.动量与碰撞中等
1700 kg14 m/s1400 kg

一辆以 14 m/s 行驶的 1700 kg 汽车撞上一辆静止的 1400 kg 汽车,两车卡在一起。 碰撞中损失了多少动能 ΔK?

m1 = 1700 kgv1 = 14 m/sm2 = 1400 kgv2 = 0
ΔK = J
12.动量与碰撞困难
19 m/s5 m/s

一个 0.45 kg 的小球以 19 m/s 撞到墙上,并以 5 m/s 沿原路弹回。接触时间为 50 ms。 求墙给小球的冲量大小 J。

m = 0.45 kgvin = 19 m/svout = 5 m/sΔt = 50 ms
J = N·s
13.刚体转动中等
n = 2400 rpmTb​ = 65 N·mI = 6.5 kg·m²

转动惯量为 6.5 kg·m² 的飞轮以 2400 rpm 转动。制动器施加 65 N·m 的恒定摩擦转矩。 飞轮在停下之前转过多少圈 N?

I = 6.5 kg·m²n = 2400 rpmTb = 65 N·m
N = rev
14.刚体转动困难
9 m/sω

一个质量为 7.5 kg 的空心球以 9 m/s 的速度无滑动地滚动。 转动动能占总动能的百分之几 p?

m = 7.5 kgv = 9 m/sI = (2/3)·m·r²
p = %
15.齿轮与齿轮系中等
d1​ = 125 mmd2​ = 400 mm2880 rpmT1​ = 1200 NT2​ = 240 NP = ?

一条皮带绕在一个以 2880 rpm 转动、直径 125 mm 的主动轮上。紧边张力为 1200 N,松边张力为 240 N。求传递的功率 P,单位 kW。

d1 = 125 mmn1 = 2880 rpmT1 = 1200 NT2 = 240 N
P = kW
16.齿轮与齿轮系困难
A = 32B = 48C = 18D = ?

在一个复合轮系中,输入轴上的齿轮 A(32 齿)以 3000 rpm 转动,驱动齿轮 B(48 齿)。齿轮 C(18 齿)与 B 固定在同一根轴上,驱动输出轴上的齿轮 D。输出轴须以 600 rpm 转动。齿轮 D 须有多少个齿 ND?

nin = 3000 rpmA = 32B = 48C = 18nout = 600 rpm
ND =
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
2.6 kgk = 420 N/mA = 2 cm

一个 2.6 kg 的物体连在 k = 420 N/m 的弹簧上,从平衡位置拉开 2 cm 后释放。 求它的最大速度 vmax。

m = 2.6 kgk = 420 N/mA = 2 cm
vmax = m/s
19.机械振动中等
k = 10 kN/mζ = 0.45m = 10 kg

一个 10 kg 的质量块挂在刚度为 10 kN/m 的弹簧上,黏性阻尼器使阻尼比为 0.45。求其自由振动的有阻尼固有频率 fd,以 Hz 计。

m = 10 kgk = 10 kN/mζ = 0.45
fd = Hz
20.机械振动困难
k1​ = 12k2​ = 80m = 100 kg

一个 100 kg 的质量块悬挂在并排(并联)的两根弹簧上,刚度分别为 k₁ = 12 kN/m 和 k₂ = 80 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 = 100 kgk1 = 12 kN/mk2 = 80 kN/m
keq = kN/m

3溶液

1.运动学

答案: t = 2.083 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。

单位

v₀ = 45/3.6 = 12.5 m/s

制动时间

0 = v₀ − a·t → t = v₀/a = 12.5/6 = 2.083 s

答案

t = 2.083 s
2.运动学

答案: t = 2.464 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。

−15 = 6·t − ½·9.81·t²
4.905·t² − 6·t − 15 = 0

解一元二次方程

只有正根有物理意义。

t = (6 + √(6² + 2·9.81·15))/9.81 = 2.464 s

答案

t = 2.464 s
3.牛顿定律

答案: a = 1.923 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 25° − 0.25·cos 25°) = 9.81·(0.4226 − 0.2266) = 1.923 m/s²

答案

a = 1.923 m/s²
4.牛顿定律

答案: d = 10.38 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 25° + 0.25·cos 25°) = 6.369 m/s²

距离

d = v₀²/(2a) = 11.5²/(2·6.369) = 10.38 m

答案

d = 10.38 m
5.抛体运动

答案: v0 = 28.23 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) = √(9.81·80/sin 100°) = 28.23 m/s

答案

v0 = 28.23 m/s
6.抛体运动

答案: H = 31.01 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 = 13·sin 20° = 4.446 m/s

高出悬崖的上升高度

Δh = vy²/(2g) = 4.446²/(2·9.81) = 1.008 m

离地面的高度

H = 30 + 1.008 = 31.01 m

答案

H = 31.01 m
7.圆周运动

答案: N = 15007 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.

顶点的受力

指向圆心(向下)为正。

m·g − N = m·v²/r
N = 1800·9.81 − 1800·9²/55 = 17658 − 2651 = 15007 N

答案

N = 15007 N

汽车感觉变轻了:路面向上的支持力小于其重量。

8.圆周运动

答案: Ntop = 86.33 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·(25.2 − 2·7) = 219.7 m²/s²

受力

指向圆心为正。

N = m·v²/R − m·g = 4·219.7/7 − 39.24 = 86.33 N

答案

Ntop = 86.33 N
9.功和能

答案: h = 0.9174 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)。

弹簧能量

x = 3 cm = 0.03 m
½kx² = ½·1000·0.03² = 0.45 J

高度

m·g = 0.05·9.81 = 0.4905 N
h = ½kx²/(mg) = 0.45/0.4905 = 0.9174 m

答案

h = 0.9174 m
10.功和能

答案: d = 0.6727 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)。

弹簧能量

x = 10 cm = 0.1 m
½kx² = ½·500·0.1² = 2.5 J

沿斜面的能量衡算

m·g = 0.5·9.81 = 4.905 N
½kx² = mg·d·(sin θ + μ·cos θ)
d = 2.5/(4.905·(0.6428 + 0.15·0.766)) = 0.6727 m

答案

d = 0.6727 m
11.动量与碰撞

答案: ΔK = 75239 J

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.

共同速度

v′ = m1·v1/(m1 + m2) = 1700·14/3100 = 7.677 m/s

碰撞前后的动能

Kbefore = ½·1700·14² = 166600 J
Kafter = ½·3100·7.677² = 91361 J

损失的能量

ΔK = 166600 − 91361 = 75239 J

答案

ΔK = 75239 J

损失的能量转化为形变、热和声音。

12.动量与碰撞

答案: J = 10.8 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 = 0.45·(5 + 19) = 10.8 N·s

答案

J = 10.8 N·s
13.刚体转动

答案: N = 502.7 rev

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·2400/60 = 251.3 rad/s

制动器做的功等于动能

½·I·ω² = ½·6.5·251.3² = 205288 J
θ = 205288/65 = 3158 rad

圈数

N = θ/2π = 502.7 rev

答案

N = 502.7 rev
14.刚体转动

答案: p = 40 %

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 = ½·7.5·9² = 303.8 J
Erot = ½·I·ω² = ½·0.6667·m·r²·(v/r)² = 0.6667·303.8 = 202.5 J

转动所占的份额

p = 202.5/506.3·100% = c/(1 + c)·100% = 40%

答案

p = 40 %

这个份额只取决于形状,与质量和速度无关。

15.齿轮与齿轮系

答案: P = 18.1 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。

皮带速度

v = 18.85 m/s

功率

P = (1200 − 240)·18.85 = 18096 W = 18.1 kW

答案

P = 18.1 kW
16.齿轮与齿轮系

答案: ND = 60

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.

中间轴转速

nB = nC = 3000·32/48 = 2000 rpm

齿轮 D 的齿数

ND = C·nC/nout = 18·2000/600 = 60

答案

ND = 60
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: vmax = 0.2542 m/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。

角频率

ω = √(420/2.6) = 12.71 rad/s

最大速度

vmax = A·ω = 0.02·12.71 = 0.2542 m/s

答案

vmax = 0.2542 m/s
19.机械振动

答案: fd = 4.495 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 = √(10000/10) = 31.62 rad/s
fn = 31.62/(2π) = 5.033 Hz

有阻尼固有频率

fd = fn·√(1 − ζ²) = 5.033·√(1 − 0.45²) = 4.495 Hz

答案

fd = 4.495 Hz
20.机械振动

答案: keq = 92 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 = 12 + 80 = 92 kN/m

答案

keq = 92 kN/m

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