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。

新题目返回课程

在打印窗口中选择“另存为 PDF”,即可在设备上保存一份副本。

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
警车a = 5.5 m/s²汽车32 m/s

一辆以恒定的 32 m/s 超速行驶的汽车经过一辆静止的警车。此时警车启动并以 5.5 m/s² 匀加速。 警车在距其出发点多远处追上?求 d。

vcar = 32 m/sapolice = 5.5 m/s²v0,police = 0
d = m
2.运动学困难
AB: 26 m/s10 m

球 A 从 10 m 高处由静止释放。同一时刻,球 B 从正下方的地面以 26 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 = 10 mv0B = 26 m/sg = 9.81 m/s²
y = m
3.牛顿定律中等
6.5 kg4.5 kg

质量为 6.5 kg 和 4.5 kg 的两个物体用轻绳相连,分别悬挂在一个轻质无摩擦滑轮的两侧。系统由静止释放。取 g = 9.81 m/s²。 求物体的加速度 a。

m1 = 6.5 kgm2 = 4.5 kgg = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.牛顿定律困难
m1​ = 3.5 kg4 kgμ = 0.1

水平桌面上一个 3.5 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 0.1。 取 g = 9.81 m/s²。 求绳中的张力 T。

m1 = 3.5 kgm2 = 4 kgμ = 0.1g = 9.81 m/s²
T = N
5.抛体运动中等
v0​ = 32 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 = 32 m/sθ = 35°g = 9.81 m/s²
t = s
6.抛体运动困难
h = 30 mv0​ = 27 m/s35°H = ?

一个球从 30 m 高的悬崖顶部以 27 m/s、与水平方向成 35° 的角度抛出。忽略空气阻力,取 g = 9.81 m/s²。求它高出悬崖脚下地面的最大高度 H。

v₀ = 27 m/sθ = 35°h = 30 mg = 9.81 m/s²
H = m
7.圆周运动中等
r = 145 mvmax​ = ?

一辆汽车通过半径为 145 m 的水平弯道。轮胎与路面之间的静摩擦因数为 0.7。取 g = 9.81 m/s²。求汽车不打滑地通过弯道的最大速度 vmax。

r = 145 mμs = 0.7g = 9.81 m/s²
vmax = m/s
8.圆周运动困难
r = 0.5 mv = 3.5 m/s

一个 1.4 kg 的小球系在长 0.5 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 3.5 m/s。取 g = 9.81 m/s²。求最低点处绳中的张力 T。

m = 1.4 kgr = 0.5 mv = 3.5 m/sg = 9.81 m/s²
T = N
9.功和能中等
40°d = 3 mμ = 0.25

一个物块由静止沿倾角 40° 的斜面下滑。动摩擦因数为 0.25。求它沿斜面滑行 3 m 后的速度 v。

θ = 40°μ = 0.25d = 3 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
10.功和能困难
8 kg6 kgμ = 0.1d = 0.5 m

一个 8 kg 的物块放在粗糙的水平桌面上(μ = 0.1)。一根轻绳从它出发,跨过桌边的光滑滑轮,连接一个悬挂的 6 kg 物块。系统由静止释放。求悬挂物块下降 0.5 m 后两物块的速度 v。

m1 = 8 kgm2 = 6 kgμ = 0.1d = 0.5 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
11.动量与碰撞中等
3 kg25 m/s3 kgv′2​ = ?

一个以 5 m/s 水平运动的 6 kg 抛射体爆炸成沿同一直线运动的两块碎片。3 kg 的碎片以 25 m/s 继续向前运动。求 3 kg 碎片的速度 v′2(以原运动方向为正)。

M = 6 kgu = 5 m/sm1 = 3 kgv′1 = 25 m/sm2 = 3 kg
v′2 = m/s
12.动量与碰撞困难
1900 kgv1​ = ?1300 kg

一辆 1900 kg 的汽车撞上一辆停放的 1300 kg 汽车。两车残骸卡在一起,滑行 23.5 m 后停止。轮胎与路面之间的动摩擦因数为 0.6。取 g = 9.81 m/s²。求碰撞前瞬间第一辆汽车的速度 v1。

m1 = 1900 kgm2 = 1300 kgd = 23.5 mμ = 0.6g = 9.81 m/s²
v1 = m/s
13.刚体转动中等
2.5 kgaαM = 7 kgR = 0.5 m

一个 2.5 kg 的物块悬挂在绕过滑轮的轻绳上,滑轮是质量为 7 kg、半径为 0.5 m 的均匀实心圆盘,在无摩擦的水平轴上转动。物块从静止释放。取 g = 9.81 m/s²。 求绳中的张力 T。

m = 2.5 kgM = 7 kgR = 0.5 mg = 9.81 m/s²
T = N
14.刚体转动困难
6 m/sω

一个质量为 9.5 kg 的实心球以 6 m/s 的速度无滑动地滚动。 求它的转动动能 Erot。

m = 9.5 kgv = 6 m/sI = (2/5)·m·r²
Erot = J
15.齿轮与齿轮系中等
N1​ = 24, m = 3 mm

一台 7.5 kW、转速 2900 rpm 的电动机驱动一个齿数为 24、模数为 3 mm 的小齿轮。求小齿轮齿上的切向力 Ft。

P = 7.5 kWn = 2900 rpmN1 = 24m = 3 mm
Ft = N
16.齿轮与齿轮系困难
A = 60B = 80C = 15D = ?

在一个复合轮系中,输入轴上的齿轮 A(60 齿)以 960 rpm 转动,驱动齿轮 B(80 齿)。齿轮 C(15 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 300 rpm 转动。齿轮 D 须有多少个齿 ND?

nin = 960 rpmA = 60B = 80C = 15nout = 300 rpm
ND =
17.弹簧与单摆中等
L = ?

要使单摆的周期为 1.9 s,摆长应为多少?取 g = 9.81 m/s²。求 L。

T = 1.9 sg = 9.81 m/s²
L = m
18.弹簧与单摆困难
0.2 kgk = 360 N/mA = 15 cm

一个 0.2 kg 的物体连在 k = 360 N/m 的弹簧上,从平衡位置拉开 15 cm 后释放。 求振动的总能量 E。

m = 0.2 kgk = 360 N/mA = 15 cm
E = J
19.机械振动中等
k = 50 kN/mc = 790 N·s/mm = 50 kg

一个 50 kg 的质量块由刚度为 50 kN/m 的弹簧和阻尼系数为 790 N·s/m 的黏性阻尼器支承。求阻尼比 ζ。

m = 50 kgk = 50 kN/mc = 790 N·s/m
ζ =
20.机械振动困难
k1​ = 80k2​ = 12k3​ = 25m = 40 kg

一个 40 kg 的质量块悬挂在弹簧 k₃ = 25 kN/m 上。k₃ 的上端连接在一根刚性杆上,该杆由并排的两根弹簧 k₁ = 80 kN/m 和 k₂ = 12 kN/m 悬挂;杆保持水平。 忽略阻尼以及弹簧和杆的质量。求竖向振动的固有频率 fn,以 Hz 计。

m = 40 kgk1 = 80 kN/mk2 = 12 kN/mk3 = 25 kN/m
fn = Hz

3溶液

1.运动学

答案: d = 372.4 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.

距离相等

v·t = ½·a·t² → t = 2v/a = 2·32/5.5 = 11.64 s

距离

d = v·t = 32·11.64 = 372.4 m

答案

d = 372.4 m

此时警车的速度为 2v = 64 m/s。

2.运动学

答案: y = 9.274 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。

10 − ½g·t² = 26·t − ½g·t² → t = 10/26 = 0.3846 s

相遇高度

y = 26·0.3846 − ½·9.81·0.3846² = 9.274 m

答案

y = 9.274 m
3.牛顿定律

答案: a = 1.784 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.

加速度

净驱动力是两个重量之差;它带动的是总质量。

a = (6.5 − 4.5)·9.81/(6.5 + 4.5) = 1.784 m/s²

答案

a = 1.784 m/s²
4.牛顿定律

答案: T = 20.14 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 − 3.434)/7.5 = 4.774 m/s²

由桌面上的物块求张力

T − μ·m1·g = m1·a
T = 3.5·4.774 + 3.434 = 20.14 N

答案

T = 20.14 N
5.抛体运动

答案: t = 3.742 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 = 32·cos 35° = 26.21 m/s
vy = v0·sin θ = 32·sin 35° = 18.35 m/s

飞行时间

起点与落点等高:t = 2vy/g。

t = 2·18.35/9.81 = 3.742 s

答案

t = 3.742 s
6.抛体运动

答案: H = 42.22 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.

竖直方向的初速度

vy = 27·sin 35° = 15.49 m/s

高出悬崖的上升高度

Δh = vy²/(2g) = 15.49²/(2·9.81) = 12.22 m

离地面的高度

H = 30 + 12.22 = 42.22 m

答案

H = 42.22 m
7.圆周运动

答案: vmax = 31.55 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) = √(0.7·9.81·145) = 31.55 m/s

答案

vmax = 31.55 m/s (113.6 km/h)
8.圆周运动

答案: T = 48.03 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 = 1.4·9.81 + 1.4·3.5²/0.5 = 13.73 + 34.3 = 48.03 N

答案

T = 48.03 N
9.功和能

答案: v = 5.154 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)。

沿斜面的能量衡算

物块下降高度 d·sin θ,摩擦消耗 μmg·cos θ·d。质量约去。

½v² = g·d·(sin θ − μ·cos θ)
v = √(2·9.81·3·(0.6428 − 0.25·0.766)) = 5.154 m/s

答案

v = 5.154 m/s
10.功和能

答案: v = 1.909 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)。

释放和损失的能量

m₂g·d = 58.86·0.5 = 29.43 J
μ·m₁g·d = 0.1·78.48·0.5 = 3.924 J

两个物块的动能

½(m₁ + m₂)v² = 25.51 → v = √(2·25.51/14) = 1.909 m/s

答案

v = 1.909 m/s
11.动量与碰撞

答案: v′2 = −15 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 = 6·5 = 30 kg·m/s

碰撞后的动量

30 = 3·25 + 3·v′2
v′2 = (30 − 75)/3 = −15 m/s

答案

v′2 = −15 m/s

负号表示第二块碎片向后飞。

12.动量与碰撞

答案: v1 = 28.01 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.

碰撞后的速度

V = √(2·μ·g·d) = √(2·0.6·9.81·23.5) = 16.63 m/s

碰撞中的动量

m1·v1 = (m1 + m2)·V → v1 = 3200·16.63/1900 = 28.01 m/s

答案

v1 = 28.01 m/s
(100.8 km/h)
13.刚体转动

答案: T = 14.31 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.

物块和滑轮

物块: m·g − T = m·a
滑轮: T·R = I·α = ½·M·R²·(a/R) → T = ½·M·a

加速度

a = m·g/(m + M/2) = 2.5·9.81/(2.5 + 3.5) = 4.088 m/s²

张力

T = m·(g − a) = 2.5·(9.81 − 4.088) = 14.31 N

答案

T = 14.31 N
14.刚体转动

答案: Erot = 68.4 J

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 = ½·9.5·6² = 171 J
Erot = ½·I·ω² = ½·0.4·m·r²·(v/r)² = 0.4·171 = 68.4 J

答案

Erot = 68.4 J
15.齿轮与齿轮系

答案: Ft = 686 N

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.

小齿轮上的转矩

ω = 2π·2900/60 = 303.7 rad/s
T = P/ω = 7500/303.7 = 24.7 N·m

分度圆直径

d = m·N = 3·24 = 72 mm

切向力

Ft = 2T/d = 2·24.7/0.072 = 686 N

答案

Ft = 686 N
16.齿轮与齿轮系

答案: ND = 36

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 = 960·60/80 = 720 rpm

齿轮 D 的齿数

ND = C·nC/nout = 15·720/300 = 36

答案

ND = 36
17.弹簧与单摆

答案: L = 0.897 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·(1.9/2π)² = 0.897 m

答案

L = 0.897 m
18.弹簧与单摆

答案: E = 4.05 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 = √(360/0.2) = 42.43 rad/s

能量

E = ½·k·A² = ½·360·0.15² = 4.05 J

答案

E = 4.05 J
19.机械振动

答案: ζ = 0.2498

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·√(50000·50) = 3162 N·s/m

阻尼比

ζ = c/cc = 790/3162 = 0.2498

答案

ζ = 0.2498

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 = 3.528 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

只有 k1 和 k2 是并联的。这一对与 k3 串联,所以要按倒数组合。

k12 = 80 + 12 = 92 kN/m
keq = 92·25/(92 + 25) = 19.66 kN/m

固有频率

ωn = √(19658/40) = 22.17 rad/s
fn = 22.17/(2π) = 3.528 Hz

答案

fn = 3.528 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/dynamics