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 = ?13.89

一辆以 50 km/h 行驶的汽车以 5.5 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 = 50 km/ha = −5.5 m/s²v = 0
t = s
2.运动学困难
v₀ = 11 m/s35 m

从离地面 35 m 高的屋顶边缘以 11 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 = 11 m/sh₀ = 35 mg = 9.81 m/s²
t = s
3.牛顿定律中等
θ = 35°a = ?m = 8 kg

一个 8 kg 的物块沿倾角为 35° 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 = 8 kgθ = 35°μ = 0.2g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.牛顿定律困难
10 kg5 kgTF = 100 Nμ = 0.1

水平地面上的两个物块由一根水平轻绳相连。一个 100 N 的水平力拉前面 5 kg 的物块;10 kg 的物块被拖在后面。两个物块的动摩擦因数均为 0.1。取 g = 9.81 m/s²。 求连接绳中的拉力 T。

m1 = 10 kgm2 = 5 kgF = 100 Nμ = 0.1g = 9.81 m/s²
T = N
5.抛体运动中等
v0​ = 36 m/s30°x = ?

一个球 从平地上以高于水平面 30° 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 = 36 m/sθ = 30°g = 9.81 m/s²
x = m
6.抛体运动困难
h = 60 mv0​ = 32 m/s30°x = ?

一个球 从 60 m 高的悬崖顶上以高于水平面 30° 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 = 32 m/sθ = 30°h = 60 mg = 9.81 m/s²
x = m
7.圆周运动中等
r = 85 mvmax​ = ?

一辆汽车通过半径为 85 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 = 85 mμs = 0.3g = 9.81 m/s²
vmax = m/s
8.圆周运动困难
θ = 30°指向圆心vmin​ = ?

一个半径为 280 m 的弯道倾斜 30°,轮胎与路面之间的静摩擦因数为 0.15。取 g = 9.81 m/s²。 求汽车通过弯道而不沿坡面向下滑的最低速度 vmin。

r = 280 mθ = 30°μs = 0.15g = 9.81 m/s²
vmin = m/s
9.功和能中等
45°d = 4 mμ = 0.4

一个物块由静止沿倾角 45° 的斜面下滑。动摩擦因数为 0.4。求它沿斜面滑行 4 m 后的速度 v。

θ = 45°μ = 0.4d = 4 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
10.功和能困难
h = 3 mL = 2.5 mμ = 0.15k = 1500 N/m

一个 1 kg 的物块从光滑坡道上 3 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 = 0.15),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 = 3 mL = 2.5 mμ = 0.15k = 1500 N/mg = 9.81 m/s²
x = cm
11.动量与碰撞中等
4 kgv = ?15 gh = 15 cm

一颗 15 g 的子弹水平射入一个用轻绳悬挂的 4 kg 木块,并留在其中。木块摆起,直到比初始位置高 15 cm。取 g = 9.81 m/s²。求子弹撞击前的速度 v。

m = 15 gM = 4 kgh = 15 cmg = 9.81 m/s²
v = m/s
12.动量与碰撞困难
17 m/s12 m/s

一个 0.45 kg 的小球以 17 m/s 撞到墙上,并以 12 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 = 0.45 kgvin = 17 m/svout = 12 m/sΔt = 40 ms
J = N·s
13.刚体转动中等
10 kgaαM = 7 kgR = 0.15 m

一个 10 kg 的物块悬挂在绕过滑轮的轻绳上,滑轮是质量为 7 kg、半径为 0.15 m 的均匀实心圆盘,在无摩擦的水平轴上转动。物块从静止释放。取 g = 9.81 m/s²。 求绳中的张力 T。

m = 10 kgM = 7 kgR = 0.15 mg = 9.81 m/s²
T = N
14.刚体转动困难
圆盘: 33 kg圆环: 8 kgn1​ = 900 rpm

一个均匀实心圆盘(质量 33 kg,半径 0.3 m)绕无摩擦的竖直轴以 900 rpm 自由旋转。一个质量为 8 kg、半径相同的薄圆环从静止状态落到它上面,圆心对准转轴,两者很快一起旋转。 求它们共同的转速 n2,单位 rpm。

Mdisc = 33 kgMring = 8 kgR = 0.3 mn1 = 900 rpm
n2 = rpm
15.齿轮与齿轮系中等
N1​ = 30N2​ = 72

一台 3 kW 的电动机以 1450 rpm 运转,驱动一个齿数为 30 的小齿轮,小齿轮与一个齿数为 72 的大齿轮啮合。 忽略损失。 求齿轮轴上的输出扭矩 T2。

P = 3 kWn1 = 1450 rpmN1 = 30N2 = 72η = 100%
T2 = N·m
16.齿轮与齿轮系困难
A = 12B = 45C = 15D = 30

在一个复合轮系中,输入轴上的齿轮 A(12 齿)以 2900 rpm 转动,驱动齿轮 B(45 齿)。齿轮 C(15 齿)与 B 固定在同一根轴上,驱动输出轴上的齿轮 D(30 齿)。求输出转速 nout。

nin = 2900 rpmA = 12B = 45C = 15D = 30
nout = rpm
17.弹簧与单摆中等
L = 1.3 mT = 3.72 s

一名宇航员在另一颗行星上发现,一个长 1.3 m 的单摆在小幅摆动时周期为 3.72 s。求该行星上的重力加速度 g。

L = 1.3 mT = 3.72 s
g = m/s²
18.弹簧与单摆困难
t (s)x (cm)t = ?4.9

一个物体做简谐振动,周期为 3.9 s,振幅为 7 cm。 它从平衡位置运动到位移 4.9 cm 处所需的最短时间 t 是多少?

T = 3.9 sA = 7 cmx = 4.9 cm
t = s
19.机械振动中等
k = 25 kN/mζ = 0.35m = 2 kg

一个 2 kg 的质量块挂在刚度为 25 kN/m 的弹簧上,黏性阻尼器使阻尼比为 0.35。求其自由振动的有阻尼固有频率 fd,以 Hz 计。

m = 2 kgk = 25 kN/mζ = 0.35
fd = Hz
20.机械振动困难
k1​ = 80k2​ = 25m = 50 kg

一个 50 kg 的质量块悬挂在并排(并联)的两根弹簧上,刚度分别为 k₁ = 80 kN/m 和 k₂ = 25 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 = 50 kgk1 = 80 kN/mk2 = 25 kN/m
keq = kN/m

3溶液

1.运动学

答案: t = 2.525 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 = 50/3.6 = 13.89 m/s

制动时间

0 = v₀ − a·t → t = v₀/a = 13.89/5.5 = 2.525 s

答案

t = 2.525 s
2.运动学

答案: t = 4.018 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 = 11·t − ½·9.81·t²
4.905·t² − 11·t − 35 = 0

解一元二次方程

只有正根有物理意义。

t = (11 + √(11² + 2·9.81·35))/9.81 = 4.018 s

答案

t = 4.018 s
3.牛顿定律

答案: a = 4.02 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 35° − 0.2·cos 35°) = 9.81·(0.5736 − 0.1638) = 4.02 m/s²

答案

a = 4.02 m/s²
4.牛顿定律

答案: T = 66.67 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.

整个系统

a = (F − μ·(m1 + m2)·g)/(m1 + m2) = (100 − 14.71)/15 = 5.686 m/s²

单独分析后面的物块

T = m1·(a + μ·g) = 10·(5.686 + 0.981) = 66.67 N

答案

T = 66.67 N

两个物块的 μ 相同时,摩擦力被消去:T = F·m₁/(m₁ + m₂)。

5.抛体运动

答案: x = 114.4 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 30° = 31.18 m/s
vy = v0·sin θ = 36·sin 30° = 18 m/s

飞行时间

起点与落点等高:t = 2vy/g。

t = 2·18/9.81 = 3.67 s

水平距离

x = vx·t = 31.18·3.67 = 114.4 m

答案

x = 114.4 m
6.抛体运动

答案: x = 152.1 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 = 32·cos 30° = 27.71 m/s
vy = v0·sin θ = 32·sin 30° = 16 m/s

飞行时间

解 y(t) = h + vy·t − ½gt² = 0,取正根。

0 = 60 + 16·t − 4.905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (16 + √(256 + 1177))/9.81 = 5.49 s

水平距离

x = vx·t = 27.71·5.49 = 152.1 m

答案

x = 152.1 m
7.圆周运动

答案: vmax = 15.82 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) = √(0.3·9.81·85) = 15.82 m/s

答案

vmax = 15.82 m/s (56.94 km/h)
8.圆周运动

答案: vmin = 32.87 m/s

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.

力的平衡

摩擦力沿斜面向上。

N·(sin θ − μ·cos θ) = m·v²/r
N·(cos θ + μ·sin θ) = m·g

速率

v = √(280·9.81·0.3701/0.941) = 32.87 m/s

答案

vmin = 32.87 m/s
(118.3 km/h)
9.功和能

答案: v = 5.77 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 = √(2·9.81·4·(0.7071 − 0.4·0.7071)) = 5.77 m/s

答案

v = 5.77 m/s
10.功和能

答案: x = 18.53 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·(3 − 0.15·2.5) = 25.75 J

最大压缩量

½kx² = 25.75 → x = √(2·25.75/1500) = 0.1853 m = 18.53 cm

答案

x = 18.53 cm
11.动量与碰撞

答案: v = 459.2 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) = √(2·9.81·0.15) = 1.716 m/s

碰撞

m·v = (m + M)·V → v = (0.015 + 4)·1.716/0.015 = 459.2 m/s

答案

v = 459.2 m/s
12.动量与碰撞

答案: J = 13.05 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·(12 + 17) = 13.05 N·s

答案

J = 13.05 N·s
13.刚体转动

答案: T = 25.43 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.

物块和滑轮

物块: m·g − T = m·a
滑轮: T·R = I·α = ½·M·R²·(a/R) → T = ½·M·a

加速度

a = m·g/(m + M/2) = 10·9.81/(10 + 3.5) = 7.267 m/s²

张力

T = m·(g − a) = 10·(9.81 − 7.267) = 25.43 N

答案

T = 25.43 N
14.刚体转动

答案: n2 = 606.1 rpm

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.

转动惯量

I1 = ½·33·0.3² = 1.485 kg·m²
I2 = 8·0.3² = 0.72 kg·m²

角动量守恒

n2 = n1·I1/(I1 + I2) = 900·1.485/2.205 = 606.1 rpm

答案

n2 = 606.1 rpm
15.齿轮与齿轮系

答案: T2 = 47.42 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·1450/60 = 151.8 rad/s
T1 = P/ω₁ = 3000/151.8 = 19.76 N·m

输出扭矩

T2 = 19.76·72/30·1 = 47.42 N·m

答案

T2 = 47.42 N·m
16.齿轮与齿轮系

答案: nout = 386.7 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 = 2900·12/45 = 773.3 rpm = nC

第二级

nout = 773.3·15/30 = 386.7 rpm

答案

nout = 386.7 rpm

总传动比 = 7.5 : 1

17.弹簧与单摆

答案: g = 3.709 m/s²

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.

求 g

g = 4π²·L/T² = 4π²·1.3/3.72² = 3.709 m/s²

答案

g = 3.709 m/s²
18.弹簧与单摆

答案: t = 0.4813 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/3.9 = 1.611 rad/s

求解时间

0.7 = sin(ω·t) → ω·t = arcsin(0.7) = 0.7754 rad
t = 0.7754/1.611 = 0.4813 s

答案

t = 0.4813 s
19.机械振动

答案: fd = 16.67 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 = √(25000/2) = 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 − 0.35²) = 16.67 Hz

答案

fd = 16.67 Hz
20.机械振动

答案: keq = 105 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 = 80 + 25 = 105 kN/m

答案

keq = 105 kN/m

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