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)2.564 s16.67

一辆以 60 km/h 行驶的汽车以 6.5 m/s² 的恒定减速度制动,直到停下。 求制动距离 s。

v₀ = 60 km/ha = −6.5 m/s²v = 0
s = m
2.运动学困难
v₀ = 15 m/s5 m

从离地面 5 m 高的屋顶边缘以 15 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 = 15 m/sh₀ = 5 mg = 9.81 m/s²
hmax = m
3.牛顿定律中等
θ = 45°a = ?m = 16 kg

一个 16 kg 的物块沿倾角为 45° 的斜面下滑。动摩擦因数为 0.15。 取 g = 9.81 m/s²。求物块沿斜面的加速度 a。

m = 16 kgθ = 45°μ = 0.15g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.牛顿定律困难
m1​ = 3.5 kg2.5 kgθ = 40°

倾角为 40° 的斜面上有一个 3.5 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 2.5 kg 物体相连。悬挂物向下运动。 斜面无摩擦。 取 g = 9.81 m/s²。 求绳中的张力 T。

m1 = 3.5 kgm2 = 2.5 kgθ = 40°μ = 0g = 9.81 m/s²
T = N
5.抛体运动中等
v0​ = ?60°R = 135 m

一个球从水平地面以与水平方向成 60° 的角度抛出,落在 135 m 远处。忽略空气阻力,取 g = 9.81 m/s²。求抛出速度 v0。

θ = 60°R = 135 mg = 9.81 m/s²
v0 = m/s
6.抛体运动困难
20 mv0​ = 37 m/s40°x = ?

一个球从地面以 37 m/s、与水平方向成 40° 的角度抛出。它在下落途中落在一栋 20 m 高的建筑的平屋顶上。忽略空气阻力,取 g = 9.81 m/s²。求从抛出点到落点的水平距离 x。

v₀ = 37 m/sθ = 40°hroof = 20 mg = 9.81 m/s²
x = m
7.圆周运动中等
r = 130 mvmax​ = ?

一辆汽车通过半径为 130 m 的水平弯道。轮胎与路面之间的静摩擦因数为 0.5。取 g = 9.81 m/s²。求汽车不打滑地通过弯道的最大速度 vmax。

r = 130 mμs = 0.5g = 9.81 m/s²
vmax = m/s
8.圆周运动困难
r = 0.8 mv = 9 m/s

一个 1.8 kg 的小球系在长 0.8 m 的绳上,在竖直平面内做圆周运动。在最低点时它的速度为 9 m/s。取 g = 9.81 m/s²。求最低点处绳中的张力 T。

m = 1.8 kgr = 0.8 mv = 9 m/sg = 9.81 m/s²
T = N
9.功和能中等
36 km/h8°2000 kg

一辆 2000 kg 的汽车以恒定的 36 km/h 驶上 8° 的斜坡。空气阻力和滚动阻力合计 300 N。求车轮须输出的功率 P,以 kW 表示。

m = 2000 kgθ = 8°Fr = 300 Nv = 36 km/hg = 9.81 m/s²
P = kW
10.功和能困难
h = 5 mL = 2.5 mμ = 0.15k = 4000 N/m

一个 2.5 kg 的物块从光滑坡道上 5 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 = 4000 N/m)。 求物块到达弹簧时的速度 v。

m = 2.5 kgh = 5 mL = 2.5 mμ = 0.15k = 4000 N/mg = 9.81 m/s²
v = m/s
11.动量与碰撞中等
1.5 kg5 m/s4 kg

在无摩擦的导轨上,一个以 5 m/s 运动的 1.5 kg 滑块与一个静止的 4 kg 滑块发生完全弹性的正碰。 求碰撞后第一个滑块的速度 v′1(以其原运动方向为正)。

m1 = 1.5 kgm2 = 4 kgv1 = 5 m/sv2 = 0
v′1 = m/s
12.动量与碰撞困难
21 m/s14 m/s

一个 0.35 kg 的小球以 21 m/s 撞到墙上,并以 14 m/s 沿原路弹回。接触时间为 5 ms。 求墙对小球的平均作用力 Favg。

m = 0.35 kgvin = 21 m/svout = 14 m/sΔt = 5 ms
Favg = N
13.刚体转动中等
L = 0.5 mm = 11.5 kgα

质量为 11.5 kg、长为 0.5 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。 求释放瞬间自由端的加速度 atip。

m = 11.5 kgL = 0.5 mg = 9.81 m/s²
atip = m/s²
14.刚体转动困难
2 m/sω

一个质量为 15.5 kg 的薄圆环以 2 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 = 15.5 kgv = 2 m/sI = m·r²
p = %
15.齿轮与齿轮系中等
Tw​ = ?z = 3, 960 rpm

一台 0.75 kW、960 rpm 的电动机驱动一个 3 头的蜗杆。蜗轮有 45 个齿,传动效率为 60%。求蜗轮轴上的输出转矩 Tw。

z = 3Nw = 45n = 960 rpmP = 0.75 kWη = 60%
Tw = N·m
16.齿轮与齿轮系困难
Ns​ = 30齿圈固定Np​ = 15nc​ = ?

在一个行星齿轮系中,太阳轮有 30 个齿,每个行星轮有 15 个齿。齿圈固定,太阳轮以 900 rpm 驱动。求行星架的转速 nc。

Ns = 30Np = 15ns = 900 rpm
nc = rpm
17.弹簧与单摆中等
L = 2.8 m

一个单摆的摆长为 2.8 m。取 g = 9.81 m/s²。求小角度摆动时的周期 T。

L = 2.8 mg = 9.81 m/s²
T = s
18.弹簧与单摆困难
3.1 kgk = 360 N/mA = 6 cm

一个 3.1 kg 的物体连在 k = 360 N/m 的弹簧上,从平衡位置拉开 6 cm 后释放。 求它的最大加速度 amax。

m = 3.1 kgk = 360 N/mA = 6 cm
amax = m/s²
19.机械振动中等
k = 50 kN/mc = 630 N·s/mm = 200 kg

一个 200 kg 的质量块由刚度为 50 kN/m 的弹簧和阻尼系数为 630 N·s/m 的黏性阻尼器支承。求阻尼比 ζ。

m = 200 kgk = 50 kN/mc = 630 N·s/m
ζ =
20.机械振动困难
k1​ = 50k2​ = 12m = 25 kg

一个 25 kg 的质量块悬挂在首尾相接(串联)的两根弹簧上:上弹簧 k₁ = 50 kN/m,下弹簧 k₂ = 12 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 = 25 kgk1 = 50 kN/mk2 = 12 kN/m
fn = Hz

3溶液

1.运动学

答案: s = 21.37 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 = 60/3.6 = 16.67 m/s

制动距离

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 16.67²/(2·6.5) = 21.37 m

答案

s = 21.37 m
2.运动学

答案: hmax = 16.47 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 = 15²/(2·9.81) = 11.47 m

离地面的高度

hmax = 5 + 11.47 = 16.47 m

答案

hmax = 16.47 m
3.牛顿定律

答案: a = 5.896 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° − 0.15·cos 45°) = 9.81·(0.7071 − 0.1061) = 5.896 m/s²

答案

a = 5.896 m/s²
4.牛顿定律

答案: T = 23.5 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.

沿绳子方向的力

m₂·g = 24.53 N
m₁·g·sin θ = 22.07 N
μ·m₁·g·cos θ = 0 N

系统的加速度

a = (24.53 − 22.07 − 0)/6 = 0.4091 m/s²

由悬挂物求拉力

m2·g − T = m2·a → T = 2.5·(9.81 − 0.4091) = 23.5 N

答案

T = 23.5 N
5.抛体运动

答案: v0 = 39.11 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) = √(9.81·135/sin 120°) = 39.11 m/s

答案

v0 = 39.11 m/s
6.抛体运动

答案: x = 106.7 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.

分解初速度

vx = 28.34 m/s, vy = 23.78 m/s

落到屋顶的时间

较大的根:球正在下降。

20 = 23.78·t − 4.905·t²
t = (23.78 + √(23.78² − 2·9.81·20))/9.81 = 3.766 s

水平距离

x = vx·t = 28.34·3.766 = 106.7 m

答案

x = 106.7 m
7.圆周运动

答案: vmax = 25.25 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) = √(0.5·9.81·130) = 25.25 m/s

答案

vmax = 25.25 m/s (90.91 km/h)
8.圆周运动

答案: T = 199.9 N

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。

最低点处的受力

指向圆心(向上)为正。

T − m·g = m·v²/r
T = 1.8·9.81 + 1.8·9²/0.8 = 17.66 + 182.2 = 199.9 N

答案

T = 199.9 N
9.功和能

答案: P = 30.31 kW

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)。 功率等于力乘以速度:P = F·v。

驱动力

m·g = 2000·9.81 = 19620 N
mg·sin θ = 19620·sin 8° = 2731 N
F = 2731 + 300 = 3031 N

功率

v = 36/3.6 = 10 m/s
P = F·v = 3031·10 = 30306 W = 30.31 kW

答案

P = 30.31 kW
10.功和能

答案: v = 9.526 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)。

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 = 24.53·(5 − 0.15·2.5) = 113.4 J

到达弹簧时的速度

½mv² = mg(h − μL) → v = √(2g(h − μL)) = √(2·9.81·4.625) = 9.526 m/s

答案

v = 9.526 m/s
11.动量与碰撞

答案: v′1 = −2.273 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 = (1.5 − 4)/(1.5 + 4)·5 = −2.273 m/s
v′2 = 2·1.5/(1.5 + 4)·5 = 2.727 m/s

答案

v′1 = −2.273 m/s

负号表示第一个滑块被弹回。

12.动量与碰撞

答案: Favg = 2450 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 = 0.35·(14 + 21) = 12.25 N·s

平均作用力

Favg = J/Δt = 12.25/0.005 = 2450 N

答案

Favg = 2450 N
13.刚体转动

答案: atip = 14.71 m/s²

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/(2·0.5) = 29.43 rad/s²

自由端的加速度

atip = α·L = 29.43·0.5 = 14.71 m/s²

答案

atip = 14.71 m/s²

对任何长度,atip = 1.5·g:自由端下落得比扔下的石头还快。

14.刚体转动

答案: p = 50 %

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 = ½·15.5·2² = 31 J
Erot = ½·I·ω² = ½·1·m·r²·(v/r)² = 1·31 = 31 J

转动所占的份额

p = 31/62·100% = c/(1 + c)·100% = 50%

答案

p = 50 %

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: Tw = 67.14 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.

蜗轮转速

nw = n·z/Nw = 960·3/45 = 64 rpm

输出扭矩

ωw = 2π·64/60 = 6.702 rad/s
Tw = η·P/ωw = 0.6·750/6.702 = 67.14 N·m

答案

Tw = 67.14 N·m
16.齿轮与齿轮系

答案: nc = 300 rpm

行星齿轮系:太阳轮、齿圈和行星架的转速由威利斯方程 (ns − nc)/(nr − nc) = −Nr/Ns 联系起来:从行星架上看,该轮系是以行星轮为惰轮的普通轮系。固定其中一个构件,轮系就成为一个单一传动比的减速器。

齿圈齿数

Nr = Ns + 2·Np = 30 + 2·15 = 60

齿圈固定时的威利斯方程

令 nr = 0,求行星架的转速。

(900 − nc)/(0 − nc) = −60/30
nc = ns·Ns/(Ns + Nr) = 900·30/90 = 300 rpm

答案

nc = 300 rpm

行星架与太阳轮转向相同。

17.弹簧与单摆

答案: T = 3.357 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·√(2.8/9.81) = 3.357 s

答案

T = 3.357 s
18.弹簧与单摆

答案: amax = 6.968 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 = √(360/3.1) = 10.78 rad/s

最大加速度

amax = A·ω² = 0.06·10.78² = 6.968 m/s²

答案

amax = 6.968 m/s²
19.机械振动

答案: ζ = 0.09961

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·√(50000·200) = 6325 N·s/m

阻尼比

ζ = c/cc = 630/6325 = 0.09961

答案

ζ = 0.09961

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 = 3.131 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 = 1/50 + 1/12 → keq = 50·12/(50 + 12) = 9.677 kN/m

固有频率

ωn = √(9677/25) = 19.67 rad/s
fn = 19.67/(2π) = 3.131 Hz

答案

fn = 3.131 Hz

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