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 = ?27.78

一辆以 100 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 = 100 km/ha = −6 m/s²v = 0
t = s
2.运动学困难
AB: 25 m/s25 m

球 A 从 25 m 高处由静止释放。同一时刻,球 B 从正下方的地面以 25 m/s 竖直上抛。忽略空气阻力,取 g = 9.81 m/s²。 它们在离地面多高处 y 相遇?

H = 25 mv0B = 25 m/sg = 9.81 m/s²
y = m
3.牛顿定律中等
30 kg30°F = 200 Nμ = 0.25

一个 30 kg 的雪橇被一根与水平方向成 30° 向上的绳子以 200 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 = 30 kgF = 200 Nθ = 30°μ = 0.25g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.牛顿定律困难
θ = 30°物块v₀ = 9 m/s

一个物块被推了一下,以 9 m/s 的速度开始沿 30° 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 = 9 m/sθ = 30°μ = 0.3g = 9.81 m/s²
d = m
5.抛体运动中等
v0​ = ?15°R = 20 m

一个球从水平地面以与水平方向成 15° 的角度抛出,落在 20 m 远处。忽略空气阻力,取 g = 9.81 m/s²。求抛出速度 v0。

θ = 15°R = 20 mg = 9.81 m/s²
v0 = m/s
6.抛体运动困难
h = 60 mv0​ = 35 m/s20°α = ?

一个球从 60 m 高的悬崖顶部以 35 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。 它落地时与水平方向向下成多大角度 α?

v₀ = 35 m/sθ = 20°h = 60 mg = 9.81 m/s²
α = °
7.圆周运动中等
θ = ?指向圆心40 km/h

一位道路工程师希望汽车以 40 km/h 通过半径为 240 m 的弯道时不依赖摩擦力。取 g = 9.81 m/s²。求弯道的倾角 θ。

r = 240 mv = 40 km/hg = 9.81 m/s²
θ = °
8.圆周运动困难
r = 0.5 m8 m/svtop​ = ?

一个 1 kg 的球系在长 0.5 m 的轻绳上,在竖直平面内做圆周运动。在最低点它的速度为 8 m/s。忽略空气阻力,取 g = 9.81 m/s²。求最高点时绳中的拉力 Ttop。

m = 1 kgr = 0.5 mvbottom = 8 m/sg = 9.81 m/s²
Ttop = N
9.功和能中等
36 km/h6°1800 kg

一辆 1800 kg 的汽车以恒定的 36 km/h 驶上 6° 的斜坡。空气阻力和滚动阻力合计 250 N。求车轮须输出的功率 P,以 kW 表示。

m = 1800 kgθ = 6°Fr = 250 Nv = 36 km/hg = 9.81 m/s²
P = kW
10.功和能困难
h = 3.5 mL = 2 mμ = 0.1k = 2500 N/m

一个 2 kg 的物块从光滑坡道上 3.5 m 高处由静止释放。到达底部后,它通过一段长 2 m 的粗糙水平段(μ = 0.1),然后在光滑表面上撞上一根弹簧(k = 2500 N/m)。 求物块到达弹簧时的速度 v。

m = 2 kgh = 3.5 mL = 2 mμ = 0.1k = 2500 N/mg = 9.81 m/s²
v = m/s
11.动量与碰撞中等
800 kg19 m/s1600 kg

一辆以 19 m/s 行驶的 800 kg 汽车撞上一辆静止的 1600 kg 汽车,两车卡在一起。 原有动能损失了百分之多少 ΔK/K?

m1 = 800 kgv1 = 19 m/sm2 = 1600 kgv2 = 0
ΔK/K = %
12.动量与碰撞困难
24 m/s16 m/s

一个 0.15 kg 的小球以 24 m/s 撞到墙上,并以 16 m/s 沿原路弹回。接触时间为 20 ms。 求墙对小球的平均作用力 Favg。

m = 0.15 kgvin = 24 m/svout = 16 m/sΔt = 20 ms
Favg = N
13.刚体转动中等
L = 1.1 mm = 6 kgα

质量为 6 kg、长为 1.1 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 = 6 kgL = 1.1 mg = 9.81 m/s²
atip = m/s²
14.刚体转动困难
θ = 25°vs = 6.5 m

一个空心球从静止开始,沿与水平面成 25° 的斜面无滑动地滚下。取 g = 9.81 m/s²。 求它沿斜面滚过 6.5 m 后的速度 v。

θ = 25°s = 6.5 mI = (2/3)·m·r²g = 9.81 m/s²
v = m/s
15.齿轮与齿轮系中等
N1​ = ?N2​

两根平行轴相距 202.5 mm。须用一对模数为 3 mm、减速比为 3.5 : 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 = 202.5 mmm = 3 mmi = 3.5
N1 =
16.齿轮与齿轮系困难
d1​ = 160 mmd2​ = 250 mm1500 rpmC = 500 mmθ = ?

一条开口皮带连接一个 160 mm 的带轮和一个 250 mm 的带轮,二者中心相距 500 mm。求小带轮上的包角 θ,单位为度。

d1 = 160 mmd2 = 250 mmC = 500 mm
θ = °
17.弹簧与单摆中等
L = ?

要使单摆的周期为 1.7 s,摆长应为多少?取 g = 9.81 m/s²。求 L。

T = 1.7 sg = 9.81 m/s²
L = m
18.弹簧与单摆困难
3.7 kgk = 260 N/mA = 3 cm

一个 3.7 kg 的物体连在 k = 260 N/m 的弹簧上,从平衡位置拉开 3 cm 后释放。 求它的最大速度 vmax。

m = 3.7 kgk = 260 N/mA = 3 cm
vmax = m/s
19.机械振动中等
k = 80 kN/mc = 180 N·s/mm = 40 kg

一个 40 kg 的质量块由刚度为 80 kN/m 的弹簧和阻尼系数为 180 N·s/m 的黏性阻尼器支承。求阻尼比 ζ。

m = 40 kgk = 80 kN/mc = 180 N·s/m
ζ =
20.机械振动困难
k1​ = 100k2​ = 20m = 20 kg

一个 20 kg 的质量块悬挂在首尾相接(串联)的两根弹簧上:上弹簧 k₁ = 100 kN/m,下弹簧 k₂ = 20 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 = 20 kgk1 = 100 kN/mk2 = 20 kN/m
fn = Hz

3溶液

1.运动学

答案: t = 4.63 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 = 100/3.6 = 27.78 m/s

制动时间

0 = v₀ − a·t → t = v₀/a = 27.78/6 = 4.63 s

答案

t = 4.63 s
2.运动学

答案: y = 20.09 m

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.

相遇时间

向上为正,地面为 y = 0。

25 − ½g·t² = 25·t − ½g·t² → t = 25/25 = 1 s

相遇高度

y = 25·1 − ½·9.81·1² = 20.09 m

答案

y = 20.09 m
3.牛顿定律

答案: a = 4.154 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 = 294.3 − 200·sin 30° = 194.3 N

水平方向的力

m·a = F·cos θ − μ·N = 173.2 − 48.58
a = 124.6/30 = 4.154 m/s²

答案

a = 4.154 m/s²
4.牛顿定律

答案: d = 5.434 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 30° + 0.3·cos 30°) = 7.454 m/s²

距离

d = v₀²/(2a) = 9²/(2·7.454) = 5.434 m

答案

d = 5.434 m
5.抛体运动

答案: v0 = 19.81 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) = √(9.81·20/sin 30°) = 19.81 m/s

答案

v0 = 19.81 m/s
6.抛体运动

答案: α = 47.85 °

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 = 35·cos 20° = 32.89 m/s
vy0 = 35·sin 20° = 11.97 m/s

落地时的竖直速度

用能量,或在竖直方向用 v² = v₀² + 2as。

vy = √(11.97² + 2·9.81·60) = 36.34 m/s

落地角度

tan α = vy/vx = 36.34/32.89 → α = 47.85°

答案

α = 47.85°
7.圆周运动

答案: θ = 3.002 °

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.

单位

v = 40/3.6 = 11.11 m/s

弯道倾角

tan θ = v²/(r·g) = 11.11²/(240·9.81) = 0.05244
θ = 3.002°

答案

θ = 3.002°
8.圆周运动

答案: Ttop = 78.95 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.

顶点的速度

在高度 2r 上,动能转化为势能。

vtop² = 8² − 4·9.81·0.5 = 44.38 m²/s²

顶点的受力

拉力和重力都向下,指向圆心。

T + m·g = m·vtop²/r
T = 1·44.38/0.5 − 1·9.81 = 78.95 N

答案

Ttop = 78.95 N
9.功和能

答案: P = 20.96 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 = 1800·9.81 = 17658 N
mg·sin θ = 17658·sin 6° = 1846 N
F = 1846 + 250 = 2096 N

功率

v = 36/3.6 = 10 m/s
P = F·v = 2096·10 = 20958 W = 20.96 kW

答案

P = 20.96 kW
10.功和能

答案: v = 8.046 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 = 19.62·(3.5 − 0.1·2) = 64.75 J

到达弹簧时的速度

½mv² = mg(h − μL) → v = √(2g(h − μL)) = √(2·9.81·3.3) = 8.046 m/s

答案

v = 8.046 m/s
11.动量与碰撞

答案: ΔK/K = 66.67 %

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) = 800·19/2400 = 6.333 m/s

碰撞前后的动能

Kbefore = ½·800·19² = 144400 J
Kafter = ½·2400·6.333² = 48133 J

损失的比例

ΔK/K = 96267/144400 = 66.67 %

答案

ΔK/K = 66.67 %

损失的能量转化为形变、热和声音。

12.动量与碰撞

答案: Favg = 300 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 = 0.15·(16 + 24) = 6 N·s

平均作用力

Favg = J/Δt = 6/0.02 = 300 N

答案

Favg = 300 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/(2·1.1) = 13.38 rad/s²

自由端的加速度

atip = α·L = 13.38·1.1 = 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: v = 5.687 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 = 6.5·sin 25° = 2.747 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 + 0.6667)
v = √(2·9.81·2.747/1.667) = 5.687 m/s

答案

v = 5.687 m/s
15.齿轮与齿轮系

答案: N1 = 30

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 = 2·202.5/3 = 135

按传动比分配

N1 = 135/(1 + 3.5) = 30

答案

N1 = 30
16.齿轮与齿轮系

答案: θ = 169.7 °

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。

皮带角

asin(0.09) = 5.164°

包角

θ = 180 − 2·5.164 = 169.7°

答案

θ = 169.7°
17.弹簧与单摆

答案: L = 0.7181 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·(1.7/2π)² = 0.7181 m

答案

L = 0.7181 m
18.弹簧与单摆

答案: vmax = 0.2515 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 = √(260/3.7) = 8.383 rad/s

最大速度

vmax = A·ω = 0.03·8.383 = 0.2515 m/s

答案

vmax = 0.2515 m/s
19.机械振动

答案: ζ = 0.05031

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·√(80000·40) = 3578 N·s/m

阻尼比

ζ = c/cc = 180/3578 = 0.05031

答案

ζ = 0.05031

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 = 4.594 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 = 1/100 + 1/20 → keq = 100·20/(100 + 20) = 16.67 kN/m

固有频率

ωn = √(16667/20) = 28.87 rad/s
fn = 28.87/(2π) = 4.594 Hz

答案

fn = 4.594 Hz

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