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 = ?33.33

一辆以 120 km/h 行驶的汽车以 4 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 = 120 km/ha = −4 m/s²v = 0
t = s
2.运动学困难
v₀ = 5 m/s35 m

从离地面 35 m 高的屋顶边缘以 5 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 = 5 m/sh₀ = 35 mg = 9.81 m/s²
hmax = m
3.牛顿定律中等
35 kg15°F = 140 Nμ = 0.25

一个 35 kg 的雪橇被一根与水平方向成 15° 向上的绳子以 140 N 的力拉着在平坦的雪地上移动。动摩擦因数为 0.25。取 g = 9.81 m/s²。求雪橇的加速度 a。

m = 35 kgF = 140 Nθ = 15°μ = 0.25g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.牛顿定律困难
m1​ = 2.5 kg4 kgμ = 0.2

水平桌面上一个 2.5 kg 的物块通过跨过光滑滑轮的轻绳与一个悬挂的 4 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。 求绳中的张力 T。

m1 = 2.5 kgm2 = 4 kgμ = 0.2g = 9.81 m/s²
T = N
5.抛体运动中等
5 my = ?v0​ = 10 m/s60°

一个球从水平地面以 10 m/s、与水平方向成 60° 的角度朝 5 m 外的一面墙踢出。忽略空气阻力,取 g = 9.81 m/s²。球经过墙时的高度 y 是多少?

v₀ = 10 m/sθ = 60°x = 5 mg = 9.81 m/s²
y = m
6.抛体运动困难
29 mv0​ = 37 m/s50°x = ?

一个球从地面以 37 m/s、与水平方向成 50° 的角度抛出。它在下落途中落在一栋 29 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 = 50°hroof = 29 mg = 9.81 m/s²
x = m
7.圆周运动中等
L = 1.9 m40°

一个系在长 1.9 m 绳上的小球做水平圆周运动,绳与竖直方向保持 40° 的恒定夹角(圆锥摆)。取 g = 9.81 m/s²。 求转一圈所需的时间 T。

L = 1.9 mθ = 40°g = 9.81 m/s²
T = s
8.圆周运动困难
r = 0.9 mv = ?

一个小球系在长 0.9 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 = 0.9 mg = 9.81 m/s²
vmin = m/s
9.功和能中等
30°d = 4 mμ = 0.1

一个 2 kg 的物块沿倾角 30° 的斜面下滑 4 m,动摩擦因数为 0.1。求克服摩擦做的功 Wf。

m = 2 kgθ = 30°μ = 0.1d = 4 mg = 9.81 m/s²
Wf = J
10.功和能困难
h = 4 mL = 1.5 mμ = 0.15k = 500 N/m

一个 1 kg 的物块从光滑坡道上 4 m 高处由静止释放。到达底部后,它通过一段长 1.5 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 = 500 N/m)。 求弹簧的最大压缩量 x。

m = 1 kgh = 4 mL = 1.5 mμ = 0.15k = 500 N/mg = 9.81 m/s²
x = cm
11.动量与碰撞中等
2 kg9 m/s4 kg

在无摩擦的导轨上,一个以 9 m/s 运动的 2 kg 滑块与一个静止的 4 kg 滑块发生完全弹性的正碰。 求碰撞后第二个滑块的速度 v′2。

m1 = 2 kgm2 = 4 kgv1 = 9 m/sv2 = 0
v′2 = m/s
12.动量与碰撞困难
3.5 kgv = ?10 g10°L = 1 m

一颗 10 g 的子弹水平射入一个用长 1 m 的轻绳悬挂的 3.5 kg 木块,并留在其中。绳子摆起的最大角度为与竖直方向成 10°。取 g = 9.81 m/s²。求子弹撞击前的速度 v。

m = 10 gM = 3.5 kgL = 1 mθ = 10°g = 9.81 m/s²
v = m/s
13.刚体转动中等
ω = ?2 kgL = 1.1 mm = 2.5 kg

质量为 2.5 kg、长为 1.1 m 的均匀细杆一端铰接,在水平位置从静止释放。 一个质量为 2 kg 的小球固定在它的自由端。 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 = 2.5 kgL = 1.1 mmball = 2 kgg = 9.81 m/s²
ω = rad/s
14.刚体转动困难
160 m/s15 g1.01 mL = 1.4 m6.5 kgφ

质量为 6.5 kg、长为 1.4 m 的均匀细杆,从无摩擦的上端枢轴处静止悬挂。一颗 15 g 的子弹以 160 m/s 的速度水平击中杆上枢轴下方 1.01 m 处并留在杆中。 取 g = 9.81 m/s²。求杆摆动偏离竖直方向的最大角度 φ。

M = 6.5 kgL = 1.4 mm = 15 gv = 160 m/sd = 1.01 mg = 9.81 m/s²
φ = °
15.齿轮与齿轮系中等
N1​ = ?N2​

两根平行轴相距 37.5 mm。须用一对模数为 1.5 mm、减速比为 1.5 : 1 的直齿圆柱齿轮把它们连接起来。 小齿轮须有多少个齿 N1?

a = 37.5 mmm = 1.5 mmi = 1.5
N1 =
16.齿轮与齿轮系困难
A = 50B = 72C = 16D = ?

在一个复合轮系中,输入轴上的齿轮 A(50 齿)以 1440 rpm 转动,驱动齿轮 B(72 齿)。齿轮 C(16 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 200 rpm 转动。齿轮 D 须有多少个齿 ND?

nin = 1440 rpmA = 50B = 72C = 16nout = 200 rpm
ND =
17.弹簧与单摆中等
L = 0.6 mT = 0.98 s

一名宇航员在另一颗行星上发现,一个长 0.6 m 的单摆在小幅摆动时周期为 0.98 s。求该行星上的重力加速度 g。

L = 0.6 mT = 0.98 s
g = m/s²
18.弹簧与单摆困难
mk = 350 N/mA = 7 cmx = 2 cm

一个连在 k = 350 N/m 弹簧上的物体在无摩擦表面上以 7 cm 的振幅振动。 求物体距平衡位置 2 cm 时弹簧中储存的能量 U。

k = 350 N/mA = 7 cmx = 2 cm
U = J
19.机械振动中等
k = 15 kN/mc = 220 N·s/mm = 5 kg

一个 5 kg 的质量块由刚度为 15 kN/m 的弹簧和阻尼系数为 220 N·s/m 的黏性阻尼器支承。求阻尼比 ζ。

m = 5 kgk = 15 kN/mc = 220 N·s/m
ζ =
20.机械振动困难
k1​ = 60k2​ = 5m = 40 kg

一个 40 kg 的质量块悬挂在并排(并联)的两根弹簧上,刚度分别为 k₁ = 60 kN/m 和 k₂ = 5 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 = 40 kgk1 = 60 kN/mk2 = 5 kN/m
keq = kN/m

3溶液

1.运动学

答案: t = 8.333 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 = 120/3.6 = 33.33 m/s

制动时间

0 = v₀ − a·t → t = v₀/a = 33.33/4 = 8.333 s

答案

t = 8.333 s
2.运动学

答案: hmax = 36.27 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 = 5²/(2·9.81) = 1.274 m

离地面的高度

hmax = 35 + 1.274 = 36.27 m

答案

hmax = 36.27 m
3.牛顿定律

答案: a = 1.67 m/s²

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.

法向力

N = m·g − F·sin θ = 343.4 − 140·sin 15° = 307.1 N

水平方向的力

m·a = F·cos θ − μ·N = 135.2 − 76.78
a = 58.45/35 = 1.67 m/s²

答案

a = 1.67 m/s²
4.牛顿定律

答案: T = 18.11 N

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) = (39.24 − 4.905)/6.5 = 5.282 m/s²

由桌面上的物块求张力

T − μ·m1·g = m1·a
T = 2.5·5.282 + 4.905 = 18.11 N

答案

T = 18.11 N
5.抛体运动

答案: y = 3.755 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.

到达墙的时间

vx = 10·cos 60° = 5 m/s
t = x/vx = 5/5 = 1 s

此时的高度

y = 8.66·1 − ½·9.81·1² = 3.755 m

答案

y = 3.755 m

球到达墙时已经在下落。

6.抛体运动

答案: x = 105.8 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 = 23.78 m/s, vy = 28.34 m/s

落到屋顶的时间

较大的根:球正在下降。

29 = 28.34·t − 4.905·t²
t = (28.34 + √(28.34² − 2·9.81·29))/9.81 = 4.45 s

水平距离

x = vx·t = 23.78·4.45 = 105.8 m

答案

x = 105.8 m
7.圆周运动

答案: T = 2.42 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.

圆的半径

r = L·sin θ = 1.9·sin 40° = 1.221 m

速率

拉力和重力共同提供向心的力:tan θ = v²/(r·g)。

v = √(r·g·tan θ) = √(1.221·9.81·tan 40°) = 3.171 m/s

周期

T = 2π·r/v = 2π·1.221/3.171 = 2.42 s

答案

T = 2.42 s
8.圆周运动

答案: vmin = 2.971 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) = √(9.81·0.9) = 2.971 m/s

答案

vmin = 2.971 m/s
9.功和能

答案: Wf = 6.797 J

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)。

摩擦力

N = mg·cos θ = 19.62·0.866 = 16.99 N
F = μN = 0.1·16.99 = 1.699 N

克服摩擦做的功

Wf = F·d = 1.699·4 = 6.797 J

答案

Wf = 6.797 J
10.功和能

答案: x = 38.49 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·(4 − 0.15·1.5) = 37.03 J

最大压缩量

½kx² = 37.03 → x = √(2·37.03/500) = 0.3849 m = 38.49 cm

答案

x = 38.49 cm
11.动量与碰撞

答案: v′2 = 6 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 = (2 − 4)/(2 + 4)·9 = −3 m/s
v′2 = 2·2/(2 + 4)·9 = 6 m/s

答案

v′2 = 6 m/s
12.动量与碰撞

答案: v = 191.6 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.

木块的上升高度

h = L·(1 − cos θ) = 1·(1 − cos 10°) = 0.01519 m

撞击后的速度

V = √(2·9.81·0.01519) = 0.546 m/s

碰撞

v = (m + M)·V/m = 3.51·0.546/0.01 = 191.6 m/s

答案

v = 191.6 m/s
13.刚体转动

答案: ω = 4.523 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 + mball·g·L = 2.5·9.81·0.55 + 2·9.81·1.1 = 35.07 J

对销钉的转动惯量

IO = m·L²/3 + mball·L² = 1.008 + 2.42 = 3.428 kg·m²

能量衡算

½·IO·ω² = 35.07 → ω = √(2·35.07/3.428) = 4.523 rad/s

答案

ω = 4.523 rad/s
14.刚体转动

答案: φ = 10.07 °

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.

撞击后的转动惯量

I = M·L²/3 + m·d² = 6.5·1.4²/3 + 0.015·1.01² = 4.262 kg·m²

对枢轴的角动量

枢轴力通过枢轴,所以撞击期间它对枢轴没有力矩。

m·v·d = I·ω → ω = 0.015·160·1.01/4.262 = 0.5688 rad/s

摆动过程中的能量

½·I·ω² = ½·4.262·0.5688² = 0.6893 J
(M·g·L/2 + m·g·d)·(1 − cos φ) = 44.78·(1 − cos φ)
cos φ = 1 − 0.6893/44.78 = 0.9846 → φ = 10.07°

答案

φ = 10.07°
15.齿轮与齿轮系

答案: N1 = 20

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 = 2·37.5/1.5 = 50

按传动比分配

N1 = 50/(1 + 1.5) = 20

答案

N1 = 20
16.齿轮与齿轮系

答案: ND = 80

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 = 1440·50/72 = 1000 rpm

齿轮 D 的齿数

ND = C·nC/nout = 16·1000/200 = 80

答案

ND = 80
17.弹簧与单摆

答案: g = 24.66 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 = 4π²·0.6/0.98² = 24.66 m/s²

答案

g = 24.66 m/s²
18.弹簧与单摆

答案: U = 0.07 J

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.

总能量

E = ½·k·A² = ½·350·0.07² = 0.8575 J

x 处的弹簧能量

U = ½·k·x² = ½·350·0.02² = 0.07 J

答案

U = 0.07 J
19.机械振动

答案: ζ = 0.4017

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·√(15000·5) = 547.7 N·s/m

阻尼比

ζ = c/cc = 220/547.7 = 0.4017

答案

ζ = 0.4017

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: keq = 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

并排的弹簧变形相同、力相加,所以刚度直接相加:k = k1 + k2。

keq = 60 + 5 = 65 kN/m

答案

keq = 65 kN/m

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