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 = ?15

一辆以 54 km/h 行驶的汽车以 5 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 = 54 km/ha = −5 m/s²v = 0
t = s
2.运动学困难
t (s)v (m/s)9 s

一辆有轨电车从静止开始以 2 m/s² 加速 9 s,然后匀速行驶 15 s,最后以 3 m/s² 制动直到停止。 求总行驶时间 t。

a1 = 2 m/s²t1 = 9 st2 = 15 sa3 = −3 m/s²
t = s
3.牛顿定律中等
10 kg6 kg

质量为 10 kg 和 6 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 = 10 kgm2 = 6 kgg = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.牛顿定律困难
m1​ = 3.5 kg5.5 kgθ = 20°

倾角为 20° 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 5.5 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 0.15。 取 g = 9.81 m/s²。 求系统的加速度 a。

m1 = 3.5 kgm2 = 5.5 kgθ = 20°μ = 0.15g = 9.81 m/s²
a = m/s²
5.抛体运动中等
v0​ = 18 m/sθ = ?R = 15 m

一个球从水平地面以 18 m/s 抛出,必须落在 15 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 = 18 m/sR = 15 mg = 9.81 m/s²
θ = °
6.抛体运动困难
h = 25 mv0​ = 22 m/s70°H = ?

一个球从 25 m 高的悬崖顶部以 22 m/s、与水平方向成 70° 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 = 22 m/sθ = 70°h = 25 mg = 9.81 m/s²
H = m
7.圆周运动中等
r = 110 mvmax​ = ?

一辆汽车通过半径为 110 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 = 110 mμs = 0.8g = 9.81 m/s²
vmax = m/s
8.圆周运动困难
θ = 30°指向圆心vmax​ = ?

一个半径为 50 m 的弯道倾斜 30°,轮胎与路面之间的静摩擦因数为 0.3。取 g = 9.81 m/s²。 求汽车通过弯道而不向上、向外滑出的最高速度 vmax。

r = 50 mθ = 30°μs = 0.3g = 9.81 m/s²
vmax = m/s
9.功和能中等
30°d = 20 mμ = 0.2

一个物块由静止沿倾角 30° 的斜面下滑。动摩擦因数为 0.2。求它沿斜面滑行 20 m 后的速度 v。

θ = 30°μ = 0.2d = 20 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
10.功和能困难
h = 2.5 mL = 1.5 mμ = 0.2k = 1500 N/m

一个 2.5 kg 的物块从光滑坡道上 2.5 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 = 0.2),然后在光滑表面上撞上一根弹簧(k = 1500 N/m)。 求弹簧的最大压缩量 x。

m = 2.5 kgh = 2.5 mL = 1.5 mμ = 0.2k = 1500 N/mg = 9.81 m/s²
x = cm
11.动量与碰撞中等
4 kg10 m/s2 kg

在无摩擦的导轨上,一个以 10 m/s 运动的 4 kg 滑块与一个静止的 2 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 = 4 kgm2 = 2 kgv1 = 10 m/sv2 = 0
v′2 = m/s
12.动量与碰撞困难
14 m/s10 m/s

一个 0.5 kg 的小球以 14 m/s 撞到墙上,并以 10 m/s 沿原路弹回。接触时间为 40 ms。 求墙给小球的冲量大小 J。

m = 0.5 kgvin = 14 m/svout = 10 m/sΔt = 40 ms
J = N·s
13.刚体转动中等
v = ?L = 1.3 mm = 1.5 kg

质量为 1.5 kg、长为 1.3 m 的均匀细杆一端铰接,在水平位置从静止释放。 忽略摩擦,取 g = 9.81 m/s²。 求杆摆过竖直位置时自由端的速度 v。

m = 1.5 kgL = 1.3 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
14.刚体转动困难
0.8 m0.25 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 0.8 m。人和转盘单独对转轴的转动惯量为 2.5 kg·m²。他们以 30 rpm 转动,然后把哑铃收到距转轴 0.25 m 处。把哑铃看作质点。求新的转速 n2,单位 rpm。

I0 = 2.5 kg·m²m = 2 × 3 kgr1 = 0.8 mr2 = 0.25 mn1 = 30 rpm
n2 = rpm
15.齿轮与齿轮系中等
N1​ = 16N2​ = 60

一台 7.5 kW 的电动机以 1440 rpm 运转,驱动一个齿数为 16 的小齿轮,小齿轮与一个齿数为 60 的大齿轮啮合。 该齿轮副的效率为 95%。 求齿轮轴上的输出扭矩 T2。

P = 7.5 kWn1 = 1440 rpmN1 = 16N2 = 60η = 95%
T2 = N·m
16.齿轮与齿轮系困难
A = 16B = 36C = 16D = 80

在一个复合轮系中,输入轴上的齿轮 A(16 齿)以 3000 rpm 转动,驱动齿轮 B(36 齿)。齿轮 C(16 齿)与 B 固定在同一根轴上,驱动输出轴上的齿轮 D(80 齿)。求输出转速 nout。

nin = 3000 rpmA = 16B = 36C = 16D = 80
nout = rpm
17.弹簧与单摆中等
L = 1.7 mT = 4.25 s

一名宇航员在另一颗行星上发现,一个长 1.7 m 的单摆在小幅摆动时周期为 4.25 s。求该行星上的重力加速度 g。

L = 1.7 mT = 4.25 s
g = m/s²
18.弹簧与单摆困难
3.3 kgk = 470 N/mA = 5 cm

一个 3.3 kg 的物体连在 k = 470 N/m 的弹簧上,从平衡位置拉开 5 cm 后释放。 求它的最大速度 vmax。

m = 3.3 kgk = 470 N/mA = 5 cm
vmax = m/s
19.机械振动中等
tx30 mm1 个周期23.3 mm

在有阻尼质量–弹簧系统的自由振动试验中,位移峰值 30 mm 之后一个周期出现峰值 23.3 mm。 求阻尼比 ζ。

x0 = 30 mmx1 = 23.3 mmn = 1
ζ =
20.机械振动困难
k1​ = 30k2​ = 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 = 30 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 = 30 kN/mk2 = 60 kN/m
fn = Hz

3溶液

1.运动学

答案: t = 3 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 = 54/3.6 = 15 m/s

制动时间

0 = v₀ − a·t → t = v₀/a = 15/5 = 3 s

答案

t = 3 s
2.运动学

答案: t = 30 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.

最高速度

v = a1·t1 = 2·9 = 18 m/s

制动时间

t3 = v/a3 = 18/3 = 6 s

总时间

t = 9 + 15 + 6 = 30 s

答案

t = 30 s
3.牛顿定律

答案: a = 2.453 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 = (10 − 6)·9.81/(10 + 6) = 2.453 m/s²

答案

a = 2.453 m/s²
4.牛顿定律

答案: a = 4.152 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.

沿绳子方向的力

m₂·g = 53.96 N
m₁·g·sin θ = 11.74 N
μ·m₁·g·cos θ = 4.84 N

系统的加速度

a = (53.96 − 11.74 − 4.84)/9 = 4.152 m/s²

答案

a = 4.152 m/s²
5.抛体运动

答案: θ = 13.51 °

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 = 9.81·15/18² = 0.4542

相角

2θ = 27.01° → θ = 13.51°

答案

θ = 13.51°

另一个解为 90° − θ = 76.49°。

6.抛体运动

答案: H = 46.78 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 = 22·sin 70° = 20.67 m/s

高出悬崖的上升高度

Δh = vy²/(2g) = 20.67²/(2·9.81) = 21.78 m

离地面的高度

H = 25 + 21.78 = 46.78 m

答案

H = 46.78 m
7.圆周运动

答案: vmax = 29.38 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) = √(0.8·9.81·110) = 29.38 m/s

答案

vmax = 29.38 m/s (105.8 km/h)
8.圆周运动

答案: vmax = 22.81 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 = √(50·9.81·0.7598/0.716) = 22.81 m/s

答案

vmax = 22.81 m/s
(82.13 km/h)
9.功和能

答案: v = 11.32 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 = √(2·9.81·20·(0.5 − 0.2·0.866)) = 11.32 m/s

答案

v = 11.32 m/s
10.功和能

答案: x = 26.82 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 = 24.53·(2.5 − 0.2·1.5) = 53.96 J

最大压缩量

½kx² = 53.96 → x = √(2·53.96/1500) = 0.2682 m = 26.82 cm

答案

x = 26.82 cm
11.动量与碰撞

答案: v′2 = 13.33 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 = (4 − 2)/(4 + 2)·10 = 3.333 m/s
v′2 = 2·4/(4 + 2)·10 = 13.33 m/s

答案

v′2 = 13.33 m/s
12.动量与碰撞

答案: J = 12 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 + 14) = 12 N·s

答案

J = 12 N·s
13.刚体转动

答案: v = 6.185 m/s

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.

势能的减少

m·g·L/2 = 1.5·9.81·0.65 = 9.565 J

对销钉的转动惯量

IO = m·L²/3 = 1.5·1.3²/3 = 0.845 kg·m²

能量衡算

½·IO·ω² = 9.565 → ω = √(2·9.565/0.845) = 4.758 rad/s
v = ω·L = 4.758·1.3 = 6.185 m/s

答案

v = 6.185 m/s
14.刚体转动

答案: n2 = 66.16 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 = 2.5 + 2·3·0.8² = 6.34 kg·m²
I2 = 2.5 + 2·3·0.25² = 2.875 kg·m²

角动量守恒

n2 = n1·I1/I2 = 30·6.34/2.875 = 66.16 rpm

答案

n2 = 66.16 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: T2 = 177.2 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 = 7500/150.8 = 49.74 N·m

输出扭矩

T2 = 49.74·60/16·0.95 = 177.2 N·m

答案

T2 = 177.2 N·m
16.齿轮与齿轮系

答案: nout = 266.7 rpm

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。

第一级

nB = 3000·16/36 = 1333 rpm = nC

第二级

nout = 1333·16/80 = 266.7 rpm

答案

nout = 266.7 rpm

总传动比 = 11.25 : 1

17.弹簧与单摆

答案: g = 3.716 m/s²

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.

求 g

g = 4π²·L/T² = 4π²·1.7/4.25² = 3.716 m/s²

答案

g = 3.716 m/s²
18.弹簧与单摆

答案: vmax = 0.5967 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 = √(470/3.3) = 11.93 rad/s

最大速度

vmax = A·ω = 0.05·11.93 = 0.5967 m/s

答案

vmax = 0.5967 m/s
19.机械振动

答案: ζ = 0.04019

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(30/23.3) = 0.2527

阻尼比

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0.2527/√(39.48 + 0.06388) = 0.04019

答案

ζ = 0.04019
20.机械振动

答案: fn = 3.183 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 = 1/30 + 1/60 → keq = 30·60/(30 + 60) = 20 kN/m

固有频率

ωn = √(20000/50) = 20 rad/s
fn = 20/(2π) = 3.183 Hz

答案

fn = 3.183 Hz

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