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)3.968 s27.78

一辆以 100 km/h 行驶的汽车以 7 m/s² 的恒定减速度制动,直到停下。 求制动距离 s。

v₀ = 100 km/ha = −7 m/s²v = 0
s = m
2.运动学困难
v₀ = 9 m/s15 m

从离地面 15 m 高的屋顶边缘以 9 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 = 9 m/sh₀ = 15 mg = 9.81 m/s²
t = s
3.牛顿定律中等
箱子v₀ = 6.5 m/sμ = ?

一个箱子以 6.5 m/s 的初速度在水平地面上滑动,滑行 5.4 m 后停止。取 g = 9.81 m/s²。求动摩擦因数 μ。

v₀ = 6.5 m/sd = 5.4 mg = 9.81 m/s²
μ =
4.牛顿定律困难
m1​ = 1.5 kg10 kgθ = 30°

倾角为 30° 的斜面上有一个 1.5 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 10 kg 物体相连。悬挂物向下运动。 物块与斜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 = 1.5 kgm2 = 10 kgθ = 30°μ = 0.2g = 9.81 m/s²
T = N
5.抛体运动中等
v0​ = 26 m/s30°射程

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。求球落地前的飞行时间 t。

v0 = 26 m/sθ = 30°g = 9.81 m/s²
t = s
6.抛体运动困难
h = 35 mv0​ = 28 m/s45°v = ?

一个球从 35 m 高的悬崖顶部以 28 m/s、与水平方向成 45° 的角度抛出。忽略空气阻力,取 g = 9.81 m/s²。 求它落地时的速度 v。

v₀ = 28 m/sθ = 45°h = 35 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
7.圆周运动中等
r = 140 mvmax​ = ?

一辆汽车通过半径为 140 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 = 140 mμs = 0.3g = 9.81 m/s²
vmax = m/s
8.圆周运动困难
r = 0.8 mv = 3 m/s

一个 1.7 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 3 m/s。取 g = 9.81 m/s²。求最低点处绳中的张力 T。

m = 1.7 kgr = 0.8 mv = 3 m/sg = 9.81 m/s²
T = N
9.功和能中等
36 km/h4°2000 kg

一辆 2000 kg 的汽车以恒定的 36 km/h 驶上 4° 的斜坡。空气阻力和滚动阻力合计 800 N。求车轮须输出的功率 P,以 kW 表示。

m = 2000 kgθ = 4°Fr = 800 Nv = 36 km/hg = 9.81 m/s²
P = kW
10.功和能困难
k = 1000 N/m40°μ = 0.150.5 kg

在 40° 斜坡底部有一根刚度为 1000 N/m 的弹簧,它顶着一个 0.5 kg 的物块被压缩 10 cm,然后释放。物块与斜坡之间的动摩擦因数为 0.15。物块从释放点沿斜坡向上滑行多远 d 后停下?(忽略弹簧推动的那一小段距离,即在整个距离 d 上都计入摩擦和重力。)

m = 0.5 kgk = 1000 N/mx = 10 cmθ = 40°μ = 0.15g = 9.81 m/s²
d = m
11.动量与碰撞中等
2.5 kg4 m/s5 kg

在无摩擦的导轨上,一个以 4 m/s 运动的 2.5 kg 滑块与一个静止的 5 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 = 2.5 kgm2 = 5 kgv1 = 4 m/sv2 = 0
v′1 = m/s
12.动量与碰撞困难
27 m/s16 m/s

一个 0.25 kg 的小球以 27 m/s 撞到墙上,并以 16 m/s 沿原路弹回。接触时间为 10 ms。 求墙对小球的平均作用力 Favg。

m = 0.25 kgvin = 27 m/svout = 16 m/sΔt = 10 ms
Favg = N
13.刚体转动中等
L = 0.6 mm = 7.5 kgα

质量为 7.5 kg、长为 0.6 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。 求释放瞬间销钉对杆的竖直力 R。

m = 7.5 kgL = 0.6 mg = 9.81 m/s²
R = N
14.刚体转动困难
0.7 m0.15 mn1​ = 30 rpm

一个人站在无摩擦的转盘上,每只手各拿一个 3 kg 的哑铃,距转轴 0.7 m。人和转盘单独对转轴的转动惯量为 3 kg·m²。他们以 30 rpm 转动,然后把哑铃收到距转轴 0.15 m 处。把哑铃看作质点。求新的转速 n2,单位 rpm。

I0 = 3 kg·m²m = 2 × 3 kgr1 = 0.7 mr2 = 0.15 mn1 = 30 rpm
n2 = rpm
15.齿轮与齿轮系中等
Nw​ = 72z = 1, 2900 rpm

一个 1 头的蜗杆以 2900 rpm 转动,驱动一个 72 齿的蜗轮。求蜗轮的转速 nw。

z = 1Nw = 72n = 2900 rpm
nw = rpm
16.齿轮与齿轮系困难
Ns​ = 20齿圈固定Np​ = 20nc​ = ?

在一个行星齿轮系中,太阳轮有 20 个齿,每个行星轮有 20 个齿。齿圈固定,太阳轮以 1500 rpm 驱动。求行星架的转速 nc。

Ns = 20Np = 20ns = 1500 rpm
nc = rpm
17.弹簧与单摆中等
L = ?

要使单摆的周期为 0.9 s,摆长应为多少?取 g = 9.81 m/s²。求 L。

T = 0.9 sg = 9.81 m/s²
L = m
18.弹簧与单摆困难
mk = 290 N/mA = 16 cmx = 15 cm

一个连在 k = 290 N/m 弹簧上的物体在无摩擦表面上以 16 cm 的振幅振动。 求它距平衡位置 15 cm 时的动能 K。

k = 290 N/mA = 16 cmx = 15 cm
K = J
19.机械振动中等
k = 15 kN/mc = 210 N·s/mm = 2 kg

一个 2 kg 的质量块由刚度为 15 kN/m 的弹簧和阻尼系数为 210 N·s/m 的黏性阻尼器支承。求阻尼比 ζ。

m = 2 kgk = 15 kN/mc = 210 N·s/m
ζ =
20.机械振动困难
k1​ = 30k2​ = 60m = 20 kg

一个 20 kg 的质量块悬挂在并排(并联)的两根弹簧上,刚度分别为 k₁ = 30 kN/m 和 k₂ = 60 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 = 20 kgk1 = 30 kN/mk2 = 60 kN/m
keq = kN/m

3溶液

1.运动学

答案: s = 55.11 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 = 100/3.6 = 27.78 m/s

制动距离

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 27.78²/(2·7) = 55.11 m

答案

s = 55.11 m
2.运动学

答案: t = 2.892 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。

−15 = 9·t − ½·9.81·t²
4.905·t² − 9·t − 15 = 0

解一元二次方程

只有正根有物理意义。

t = (9 + √(9² + 2·9.81·15))/9.81 = 2.892 s

答案

t = 2.892 s
3.牛顿定律

答案: μ = 0.3988

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

a = v₀²/(2d) = 6.5²/(2·5.4) = 3.912 m/s²

摩擦因数

μ·m·g = m·a → μ = a/g = 3.912/9.81 = 0.3988

答案

μ = 0.3988
4.牛顿定律

答案: T = 21.41 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 = 98.1 N
m₁·g·sin θ = 7.357 N
μ·m₁·g·cos θ = 2.549 N

系统的加速度

a = (98.1 − 7.357 − 2.549)/11.5 = 7.669 m/s²

由悬挂物求拉力

m2·g − T = m2·a → T = 10·(9.81 − 7.669) = 21.41 N

答案

T = 21.41 N
5.抛体运动

答案: t = 2.65 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 = 26·cos 30° = 22.52 m/s
vy = v0·sin θ = 26·sin 30° = 13 m/s

飞行时间

起点与落点等高:t = 2vy/g。

t = 2·13/9.81 = 2.65 s

答案

t = 2.65 s
6.抛体运动

答案: v = 38.35 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.

分解初速度

vx = 28·cos 45° = 19.8 m/s
vy0 = 28·sin 45° = 19.8 m/s

落地时的竖直速度

用能量,或在竖直方向用 v² = v₀² + 2as。

vy = √(19.8² + 2·9.81·35) = 32.84 m/s

落水速度

v = √(19.8² + 32.84²) = 38.35 m/s

答案

v = 38.35 m/s

用能量校核:v² = v₀² + 2gh。

7.圆周运动

答案: vmax = 20.3 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) = √(0.3·9.81·140) = 20.3 m/s

答案

vmax = 20.3 m/s (73.07 km/h)
8.圆周运动

答案: T = 35.8 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 = 1.7·9.81 + 1.7·3²/0.8 = 16.68 + 19.12 = 35.8 N

答案

T = 35.8 N
9.功和能

答案: P = 21.69 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 4° = 1369 N
F = 1369 + 800 = 2169 N

功率

v = 36/3.6 = 10 m/s
P = F·v = 2169·10 = 21686 W = 21.69 kW

答案

P = 21.69 kW
10.功和能

答案: d = 1.345 m

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)。

弹簧能量

x = 10 cm = 0.1 m
½kx² = ½·1000·0.1² = 5 J

沿斜面的能量衡算

m·g = 0.5·9.81 = 4.905 N
½kx² = mg·d·(sin θ + μ·cos θ)
d = 5/(4.905·(0.6428 + 0.15·0.766)) = 1.345 m

答案

d = 1.345 m
11.动量与碰撞

答案: v′1 = −1.333 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 = (2.5 − 5)/(2.5 + 5)·4 = −1.333 m/s
v′2 = 2·2.5/(2.5 + 5)·4 = 2.667 m/s

答案

v′1 = −1.333 m/s

负号表示第一个滑块被弹回。

12.动量与碰撞

答案: Favg = 1075 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 = 0.25·(16 + 27) = 10.75 N·s

平均作用力

Favg = J/Δt = 10.75/0.01 = 1075 N

答案

Favg = 1075 N
13.刚体转动

答案: R = 18.39 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.

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/(2·0.6) = 24.53 rad/s²

竖直方向的力

aG = α·L/2 = 7.357 m/s²
m·g − R = m·aG → R = 7.5·(9.81 − 7.357) = 18.39 N

答案

R = 18.39 N

R = m·g/4,与长度无关。

14.刚体转动

答案: n2 = 56.84 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 = 3 + 2·3·0.7² = 5.94 kg·m²
I2 = 3 + 2·3·0.15² = 3.135 kg·m²

角动量守恒

n2 = n1·I1/I2 = 30·5.94/3.135 = 56.84 rpm

答案

n2 = 56.84 rpm

动能增加了:多出来的能量来自人收哑铃时所做的功。

15.齿轮与齿轮系

答案: nw = 40.28 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 = 2900·1/72 = 40.28 rpm

答案

nw = 40.28 rpm
16.齿轮与齿轮系

答案: nc = 375 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 = 20 + 2·20 = 60

齿圈固定时的威利斯方程

令 nr = 0,求行星架的转速。

(1500 − nc)/(0 − nc) = −60/20
nc = ns·Ns/(Ns + Nr) = 1500·20/80 = 375 rpm

答案

nc = 375 rpm

行星架与太阳轮转向相同。

17.弹簧与单摆

答案: L = 0.2013 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·(0.9/2π)² = 0.2013 m

答案

L = 0.2013 m
18.弹簧与单摆

答案: K = 0.4495 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 = ½·290·0.16² = 3.712 J

x 处的弹簧能量

U = ½·k·x² = ½·290·0.15² = 3.262 J

动能

K = 3.712 − 3.262 = 0.4495 J

答案

K = 0.4495 J
19.机械振动

答案: ζ = 0.6062

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·√(15000·2) = 346.4 N·s/m

阻尼比

ζ = c/cc = 210/346.4 = 0.6062

答案

ζ = 0.6062

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 = 90 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 = 30 + 60 = 90 kN/m

答案

keq = 90 kN/m

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