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
警车a = 5 m/s²汽车23 m/s

一辆以恒定的 23 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 m/s² 匀加速。 警车需要多长时间追上?求 t。

vcar = 23 m/sapolice = 5 m/s²v0,police = 0
t = s
2.运动学困难
AB: 24 m/s20 m

球 A 从 20 m 高处由静止释放。同一时刻,球 B 从正下方的地面以 24 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 = 20 mv0B = 24 m/sg = 9.81 m/s²
y = m
3.牛顿定律中等
7.5 kg1 kg

质量为 7.5 kg 和 1 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 = 7.5 kgm2 = 1 kgg = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.牛顿定律困难
m1​ = 3.5 kg3 kgθ = 30°

倾角为 30° 的斜面上有一个 3.5 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 3 kg 物体相连。悬挂物向下运动。 斜面无摩擦。 取 g = 9.81 m/s²。 求绳中的张力 T。

m1 = 3.5 kgm2 = 3 kgθ = 30°μ = 0g = 9.81 m/s²
T = N
5.抛体运动中等
v0​ = 38 m/sθ = ?R = 70 m

一个球从水平地面以 38 m/s 抛出,必须落在 70 m 远处。忽略空气阻力,取 g = 9.81 m/s²。求两个可能的抛射角中较小的一个 θ。

v₀ = 38 m/sR = 70 mg = 9.81 m/s²
θ = °
6.抛体运动困难
h = 30 mv0​ = 19 m/s25°x = ?

一个球 从 30 m 高的悬崖顶上以高于水平面 25° 的角度抛出。忽略空气阻力。求球落地前飞过的水平距离 x。

v0 = 19 m/sθ = 25°h = 30 mg = 9.81 m/s²
x = m
7.圆周运动中等
r = 20 mvmax​ = ?

一辆汽车通过半径为 20 m 的水平弯道。轮胎与路面之间的静摩擦因数为 0.8。取 g = 9.81 m/s²。求汽车不打滑地通过弯道的最大速度 vmax。

r = 20 mμs = 0.8g = 9.81 m/s²
vmax = m/s
8.圆周运动困难
θ = 15°指向圆心vmax​ = ?

一个半径为 260 m 的弯道倾斜 15°,轮胎与路面之间的静摩擦因数为 0.25。取 g = 9.81 m/s²。 求汽车通过弯道而不向上、向外滑出的最高速度 vmax。

r = 260 mθ = 15°μs = 0.25g = 9.81 m/s²
vmax = m/s
9.功和能中等
40°d = 5 mμ = 0.4

一个 10 kg 的物块沿倾角 40° 的斜面下滑 5 m,动摩擦因数为 0.4。求克服摩擦做的功 Wf。

m = 10 kgθ = 40°μ = 0.4d = 5 mg = 9.81 m/s²
Wf = J
10.功和能困难
h = 3 mL = 1.5 mμ = 0.25k = 2000 N/m

一个 10 kg 的物块从光滑坡道上 3 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 = 0.25),然后在光滑表面上撞上一根弹簧(k = 2000 N/m)。 求弹簧的最大压缩量 x。

m = 10 kgh = 3 mL = 1.5 mμ = 0.25k = 2000 N/mg = 9.81 m/s²
x = cm
11.动量与碰撞中等
1 kg3 m/s1.5 kg

在无摩擦的导轨上,一个以 3 m/s 运动的 1 kg 滑块与一个静止的 1.5 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 = 1 kgm2 = 1.5 kgv1 = 3 m/sv2 = 0
v′2 = m/s
12.动量与碰撞困难
10 m/s5 m/s

一个 0.45 kg 的小球以 10 m/s 撞到墙上,并以 5 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 = 0.45 kgvin = 10 m/svout = 5 m/sΔt = 10 ms
Favg = N
13.刚体转动中等
L = 2.2 mm = 19.5 kgα

质量为 19.5 kg、长为 2.2 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。 求释放瞬间的角加速度 α。

m = 19.5 kgL = 2.2 mg = 9.81 m/s²
α = rad/s²
14.刚体转动困难
2.5 m/sω

一个质量为 5.5 kg 的薄圆环以 2.5 m/s 的速度无滑动地滚动。 求它的总动能 Ek。

m = 5.5 kgv = 2.5 m/sI = m·r²
Ek = J
15.齿轮与齿轮系中等
N1​ = 45N2​ = 50

一台 4 kW 的电动机以 1440 rpm 运转,驱动一个齿数为 45 的小齿轮,小齿轮与一个齿数为 50 的大齿轮啮合。 该齿轮副的效率为 98%。 求齿轮轴上的输出扭矩 T2。

P = 4 kWn1 = 1440 rpmN1 = 45N2 = 50η = 98%
T2 = N·m
16.齿轮与齿轮系困难
A = 25B = 45C = 30D = ?

在一个复合轮系中,输入轴上的齿轮 A(25 齿)以 2880 rpm 转动,驱动齿轮 B(45 齿)。齿轮 C(30 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 1500 rpm 转动。齿轮 D 须有多少个齿 ND?

nin = 2880 rpmA = 25B = 45C = 30nout = 1500 rpm
ND =
17.弹簧与单摆中等
L = ?

要使单摆的周期为 2.3 s,摆长应为多少?取 g = 9.81 m/s²。求 L。

T = 2.3 sg = 9.81 m/s²
L = m
18.弹簧与单摆困难
3 kgk = 430 N/mA = 14 cm

一个 3 kg 的物体连在 k = 430 N/m 的弹簧上,从平衡位置拉开 14 cm 后释放。 求它的最大速度 vmax。

m = 3 kgk = 430 N/mA = 14 cm
vmax = m/s
19.机械振动中等
tx50 mm5 个周期7.6 mm

在有阻尼质量–弹簧系统的自由振动试验中,位移峰值 50 mm 之后 5 个周期出现峰值 7.6 mm。 求阻尼比 ζ。

x0 = 50 mmx5 = 7.6 mmn = 5
ζ =
20.机械振动困难
k1​ = 10k2​ = 60m = 50 kg

一个 50 kg 的质量块悬挂在首尾相接(串联)的两根弹簧上:上弹簧 k₁ = 10 kN/m,下弹簧 k₂ = 60 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 = 50 kgk1 = 10 kN/mk2 = 60 kN/m
fn = Hz

3溶液

1.运动学

答案: t = 9.2 s

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 = 2·23/5 = 9.2 s

答案

t = 9.2 s

此时警车的速度为 2v = 46 m/s。

2.运动学

答案: y = 16.59 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。

20 − ½g·t² = 24·t − ½g·t² → t = 20/24 = 0.8333 s

相遇高度

y = 24·0.8333 − ½·9.81·0.8333² = 16.59 m

答案

y = 16.59 m
3.牛顿定律

答案: a = 7.502 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 = (7.5 − 1)·9.81/(7.5 + 1) = 7.502 m/s²

答案

a = 7.502 m/s²
4.牛顿定律

答案: T = 23.77 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 = 29.43 N
m₁·g·sin θ = 17.17 N
μ·m₁·g·cos θ = 0 N

系统的加速度

a = (29.43 − 17.17 − 0)/6.5 = 1.887 m/s²

由悬挂物求拉力

m2·g − T = m2·a → T = 3·(9.81 − 1.887) = 23.77 N

答案

T = 23.77 N
5.抛体运动

答案: θ = 14.2 °

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.

射程公式

R = v₀²·sin 2θ/g → sin 2θ = 9.81·70/38² = 0.4756

相角

2θ = 28.4° → θ = 14.2°

答案

θ = 14.2°

另一个解为 90° − θ = 75.8°。

6.抛体运动

答案: x = 58.95 m

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 = 19·cos 25° = 17.22 m/s
vy = v0·sin θ = 19·sin 25° = 8.03 m/s

飞行时间

解 y(t) = h + vy·t − ½gt² = 0,取正根。

0 = 30 + 8.03·t − 4.905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (8.03 + √(64.48 + 588.6))/9.81 = 3.424 s

水平距离

x = vx·t = 17.22·3.424 = 58.95 m

答案

x = 58.95 m
7.圆周运动

答案: vmax = 12.53 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) = √(0.8·9.81·20) = 12.53 m/s

答案

vmax = 12.53 m/s (45.1 km/h)
8.圆周运动

答案: vmax = 37.63 m/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.

力的平衡

摩擦力沿斜面向下。

N·(sin θ + μ·cos θ) = m·v²/r
N·(cos θ − μ·sin θ) = m·g

速率

v = √(260·9.81·0.5003/0.9012) = 37.63 m/s

答案

vmax = 37.63 m/s
(135.5 km/h)
9.功和能

答案: Wf = 150.3 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 = 98.1·0.766 = 75.15 N
F = μN = 0.4·75.15 = 30.06 N

克服摩擦做的功

Wf = F·d = 30.06·5 = 150.3 J

答案

Wf = 150.3 J
10.功和能

答案: x = 50.75 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 = 98.1·(3 − 0.25·1.5) = 257.5 J

最大压缩量

½kx² = 257.5 → x = √(2·257.5/2000) = 0.5075 m = 50.75 cm

答案

x = 50.75 cm
11.动量与碰撞

答案: v′2 = 2.4 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 = (1 − 1.5)/(1 + 1.5)·3 = −0.6 m/s
v′2 = 2·1/(1 + 1.5)·3 = 2.4 m/s

答案

v′2 = 2.4 m/s
12.动量与碰撞

答案: Favg = 675 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 = 0.45·(5 + 10) = 6.75 N·s

平均作用力

Favg = J/Δt = 6.75/0.01 = 675 N

答案

Favg = 675 N
13.刚体转动

答案: α = 6.689 rad/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/(2·2.2) = 6.689 rad/s²

答案

α = 6.689 rad/s²
14.刚体转动

答案: Ek = 34.38 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 = ½·5.5·2.5² = 17.19 J
Erot = ½·I·ω² = ½·1·m·r²·(v/r)² = 1·17.19 = 17.19 J

合计

Ek = 17.19 + 17.19 = 34.38 J

答案

Ek = 34.38 J
15.齿轮与齿轮系

答案: T2 = 28.88 N·m

齿轮系:相互啮合的齿轮在轮齿处的线速度相同,所以 n₁·N₁ = n₂·N₂:齿数较少的齿轮转得更快。装在同一根轴上的齿轮转速相同。功率被传递下去(扣除损失),所以转速降低时扭矩增大:T₂ = T₁·(N₂/N₁)·η,且 P = T·ω,其中 ω = 2π·n/60。

电动机扭矩

ω₁ = 2π·1440/60 = 150.8 rad/s
T1 = P/ω₁ = 4000/150.8 = 26.53 N·m

输出扭矩

T2 = 26.53·50/45·0.98 = 28.88 N·m

答案

T2 = 28.88 N·m
16.齿轮与齿轮系

答案: ND = 32

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 = 2880·25/45 = 1600 rpm

齿轮 D 的齿数

ND = C·nC/nout = 30·1600/1500 = 32

答案

ND = 32
17.弹簧与单摆

答案: L = 1.315 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·(2.3/2π)² = 1.315 m

答案

L = 1.315 m
18.弹簧与单摆

答案: vmax = 1.676 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 = √(430/3) = 11.97 rad/s

最大速度

vmax = A·ω = 0.14·11.97 = 1.676 m/s

答案

vmax = 1.676 m/s
19.机械振动

答案: ζ = 0.05986

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 = (1/5)·ln(50/7.6) = 0.3768

阻尼比

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0.3768/√(39.48 + 0.142) = 0.05986

答案

ζ = 0.05986
20.机械振动

答案: fn = 2.084 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 = 1/10 + 1/60 → keq = 10·60/(10 + 60) = 8.571 kN/m

固有频率

ωn = √(8571/50) = 13.09 rad/s
fn = 13.09/(2π) = 2.084 Hz

答案

fn = 2.084 Hz

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