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 = ?25

一辆以 90 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 = 90 km/ha = −6 m/s²v = 0
t = s
2.运动学困难
v₀ = 14 m/s25 m

从离地面 25 m 高的屋顶边缘以 14 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 = 14 m/sh₀ = 25 mg = 9.81 m/s²
t = s
3.牛顿定律中等
θ = 20°a = ?m = 17 kg

一个 17 kg 的物块沿倾角为 20° 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 = 17 kgθ = 20°μ = 0.2g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.牛顿定律困难
m1​ = 3 kg3 kg无摩擦

水平桌面上一个 3 kg 的物块通过跨过光滑滑轮的轻绳与一个悬挂的 3 kg 重物相连。 桌面光滑。 取 g = 9.81 m/s²。 求系统的加速度 a。

m1 = 3 kgm2 = 3 kgμ = 0g = 9.81 m/s²
a = m/s²
5.抛体运动中等
v0​ = 10 m/s35°射程

一个球 从平地上以高于水平面 35° 的角度抛出。忽略空气阻力。求球落地前的飞行时间 t。

v0 = 10 m/sθ = 35°g = 9.81 m/s²
t = s
6.抛体运动困难
h = 25 mv0​ = 27 m/s50°α = ?

一个球从 25 m 高的悬崖顶部以 27 m/s、与水平方向成 50° 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 = 27 m/sθ = 50°h = 25 mg = 9.81 m/s²
α = °
7.圆周运动中等
r = 75 mvmax​ = ?

一辆汽车通过半径为 75 m 的水平弯道。轮胎与路面之间的静摩擦因数为 0.6。取 g = 9.81 m/s²。求汽车不打滑地通过弯道的最大速度 vmax。

r = 75 mμs = 0.6g = 9.81 m/s²
vmax = m/s
8.圆周运动困难
r = 1.3 mv = 5.5 m/s

一个 2 kg 的小球系在长 1.3 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 5.5 m/s。取 g = 9.81 m/s²。求最低点处绳中的张力 T。

m = 2 kgr = 1.3 mv = 5.5 m/sg = 9.81 m/s²
T = N
9.功和能中等
45°d = 19 mμ = 0.15

一个 1 kg 的物块沿倾角 45° 的斜面下滑 19 m,动摩擦因数为 0.15。求克服摩擦做的功 Wf。

m = 1 kgθ = 45°μ = 0.15d = 19 mg = 9.81 m/s²
Wf = J
10.功和能困难
h = 2 mL = 2.5 mμ = 0.1k = 4000 N/m

一个 1 kg 的物块从光滑坡道上 2 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 = 0.1),然后在光滑表面上撞上一根弹簧(k = 4000 N/m)。 求弹簧的最大压缩量 x。

m = 1 kgh = 2 mL = 2.5 mμ = 0.1k = 4000 N/mg = 9.81 m/s²
x = cm
11.动量与碰撞中等
13 kg41 m/s5 kgv′2​ = ?

一个以 6 m/s 水平运动的 18 kg 抛射体爆炸成沿同一直线运动的两块碎片。13 kg 的碎片以 41 m/s 继续向前运动。求 5 kg 碎片的速度 v′2(以原运动方向为正)。

M = 18 kgu = 6 m/sm1 = 13 kgv′1 = 41 m/sm2 = 5 kg
v′2 = m/s
12.动量与碰撞困难
24 m/s10 m/s

一个 0.5 kg 的小球以 24 m/s 撞到墙上,并以 10 m/s 沿原路弹回。接触时间为 25 ms。 求墙给小球的冲量大小 J。

m = 0.5 kgvin = 24 m/svout = 10 m/sΔt = 25 ms
J = N·s
13.刚体转动中等
n = 300 rpmT = 1130 N·m

一台电动机在 300 rpm 时输出 1130 N·m 的转矩。求它的输出功率 P,单位 kW。

T = 1130 N·mn = 300 rpm
P = kW
14.刚体转动困难
θ = 15°vs = 6.5 m

一个空心球从静止开始,沿与水平面成 15° 的斜面无滑动地滚下。取 g = 9.81 m/s²。 它的半径为 0.4 m。求它沿斜面滚过 6.5 m 后的角速度 ω。

θ = 15°s = 6.5 mI = (2/3)·m·r²g = 9.81 m/s²r = 0.4 m
ω = rad/s
15.齿轮与齿轮系中等
Nw​ = 80z = 2, 960 rpm

一个 2 头的蜗杆以 960 rpm 转动,驱动一个 80 齿的蜗轮。求蜗轮的转速 nw。

z = 2Nw = 80n = 960 rpm
nw = rpm
16.齿轮与齿轮系困难
d1​ = 200 mmd2​ = 400 mm720 rpmC = 800 mmθ = ?

一条开口皮带连接一个 200 mm 的带轮和一个 400 mm 的带轮,二者中心相距 800 mm。求小带轮上的包角 θ,单位为度。

d1 = 200 mmd2 = 400 mmC = 800 mm
θ = °
17.弹簧与单摆中等
L = ?

要使单摆的周期为 1.3 s,摆长应为多少?取 g = 9.81 m/s²。求 L。

T = 1.3 sg = 9.81 m/s²
L = m
18.弹簧与单摆困难
1.4 kgk = 40 N/mA = 4 cm

一个 1.4 kg 的物体连在 k = 40 N/m 的弹簧上,从平衡位置拉开 4 cm 后释放。 求振动的总能量 E。

m = 1.4 kgk = 40 N/mA = 4 cm
E = J
19.机械振动中等
tx25 mm1 个周期9.6 mm

在有阻尼质量–弹簧系统的自由振动试验中,位移峰值 25 mm 之后一个周期出现峰值 9.6 mm。 求阻尼比 ζ。

x0 = 25 mmx1 = 9.6 mmn = 1
ζ =
20.机械振动困难
k1​ = 10k2​ = 15m = 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 = 10 kN/m 和 k₂ = 15 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 = 10 kN/mk2 = 15 kN/m
keq = kN/m

3溶液

1.运动学

答案: t = 4.167 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 = 90/3.6 = 25 m/s

制动时间

0 = v₀ − a·t → t = v₀/a = 25/6 = 4.167 s

答案

t = 4.167 s
2.运动学

答案: t = 4.098 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。

−25 = 14·t − ½·9.81·t²
4.905·t² − 14·t − 25 = 0

解一元二次方程

只有正根有物理意义。

t = (14 + √(14² + 2·9.81·25))/9.81 = 4.098 s

答案

t = 4.098 s
3.牛顿定律

答案: a = 1.512 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 20° − 0.2·cos 20°) = 9.81·(0.342 − 0.1879) = 1.512 m/s²

答案

a = 1.512 m/s²
4.牛顿定律

答案: a = 4.905 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。

系统的加速度

a = (m2·g − μ·m1·g)/(m1 + m2) = (29.43 − 0)/6 = 4.905 m/s²

答案

a = 4.905 m/s²
5.抛体运动

答案: t = 1.169 s

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 = 10·cos 35° = 8.192 m/s
vy = v0·sin θ = 10·sin 35° = 5.736 m/s

飞行时间

起点与落点等高:t = 2vy/g。

t = 2·5.736/9.81 = 1.169 s

答案

t = 1.169 s
6.抛体运动

答案: α = 60.2 °

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 = 27·cos 50° = 17.36 m/s
vy0 = 27·sin 50° = 20.68 m/s

落地时的竖直速度

用能量,或在竖直方向用 v² = v₀² + 2as。

vy = √(20.68² + 2·9.81·25) = 30.3 m/s

落地角度

tan α = vy/vx = 30.3/17.36 → α = 60.2°

答案

α = 60.2°
7.圆周运动

答案: vmax = 21.01 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) = √(0.6·9.81·75) = 21.01 m/s

答案

vmax = 21.01 m/s (75.64 km/h)
8.圆周运动

答案: T = 66.16 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 = 2·9.81 + 2·5.5²/1.3 = 19.62 + 46.54 = 66.16 N

答案

T = 66.16 N
9.功和能

答案: Wf = 19.77 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 = 9.81·0.7071 = 6.937 N
F = μN = 0.15·6.937 = 1.041 N

克服摩擦做的功

Wf = F·d = 1.041·19 = 19.77 J

答案

Wf = 19.77 J
10.功和能

答案: x = 9.265 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·(2 − 0.1·2.5) = 17.17 J

最大压缩量

½kx² = 17.17 → x = √(2·17.17/4000) = 0.09265 m = 9.265 cm

答案

x = 9.265 cm
11.动量与碰撞

答案: v′2 = −85 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.

碰撞前的动量

p = M·u = 18·6 = 108 kg·m/s

碰撞后的动量

108 = 13·41 + 5·v′2
v′2 = (108 − 533)/5 = −85 m/s

答案

v′2 = −85 m/s

负号表示第二块碎片向后飞。

12.动量与碰撞

答案: J = 17 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 = 0.5·(10 + 24) = 17 N·s

答案

J = 17 N·s
13.刚体转动

答案: P = 35.5 kW

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·300/60 = 31.42 rad/s

功率

P = T·ω = 1130·31.42 = 35500 W = 35.5 kW

答案

P = 35.5 kW
14.刚体转动

答案: ω = 11.13 rad/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 15° = 1.682 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 = √(2·9.81·1.682/1.667) = 4.45 m/s
ω = v/r = 4.45/0.4 = 11.13 rad/s

答案

ω = 11.13 rad/s
15.齿轮与齿轮系

答案: nw = 24 rpm

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 = 960·2/80 = 24 rpm

答案

nw = 24 rpm
16.齿轮与齿轮系

答案: θ = 165.6 °

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(0.125) = 7.181°

包角

θ = 180 − 2·7.181 = 165.6°

答案

θ = 165.6°
17.弹簧与单摆

答案: L = 0.4199 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·(1.3/2π)² = 0.4199 m

答案

L = 0.4199 m
18.弹簧与单摆

答案: E = 0.032 J

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 = √(40/1.4) = 5.345 rad/s

能量

E = ½·k·A² = ½·40·0.04² = 0.032 J

答案

E = 0.032 J
19.机械振动

答案: ζ = 0.1506

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。

对数衰减率

δ = (1/1)·ln(25/9.6) = 0.9571

阻尼比

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0.9571/√(39.48 + 0.9161) = 0.1506

答案

ζ = 0.1506
20.机械振动

答案: keq = 25 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 = 10 + 15 = 25 kN/m

答案

keq = 25 kN/m

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