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 = ?33.33

一辆以 120 km/h 行驶的汽车以 6.5 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 = 120 km/ha = −6.5 m/s²v = 0
t = s
2.运动学困难
AB: 26 m/s45 m

球 A 从 45 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。 两球何时相遇?求 t。

H = 45 mv0B = 26 m/sg = 9.81 m/s²
t = s
3.牛顿定律中等
θ = 25°a = ?m = 9 kg

一个 9 kg 的物块沿倾角为 25° 的斜面下滑。动摩擦因数为 0.1。 取 g = 9.81 m/s²。求物块沿斜面的加速度 a。

m = 9 kgθ = 25°μ = 0.1g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.牛顿定律困难
8 kg10 kgTF = 100 Nμ = 0.1

水平地面上的两个物块由一根水平轻绳相连。一个 100 N 的水平力拉前面 10 kg 的物块;8 kg 的物块被拖在后面。两个物块的动摩擦因数均为 0.1。取 g = 9.81 m/s²。 求连接绳中的拉力 T。

m1 = 8 kgm2 = 10 kgF = 100 Nμ = 0.1g = 9.81 m/s²
T = N
5.抛体运动中等
v0​ = 40 m/sθ = ?R = 110 m

一个球从水平地面以 40 m/s 抛出,必须落在 110 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 = 40 m/sR = 110 mg = 9.81 m/s²
θ = °
6.抛体运动困难
h = 30 mv0​ = 23 m/s40°H = ?

一个球从 30 m 高的悬崖顶部以 23 m/s、与水平方向成 40° 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 = 23 m/sθ = 40°h = 30 mg = 9.81 m/s²
H = m
7.圆周运动中等
r = 105 mvmax​ = ?

一辆汽车驶过路面上的一个凸起的顶部,凸起是半径为 105 m 的圆弧。取 g = 9.81 m/s²。速度超过多少 vmax 时,车轮会在顶部离开路面?

r = 105 mg = 9.81 m/s²
vmax = m/s
8.圆周运动困难
r = 0.6 mv = ?

一个小球系在长 0.6 m 的绳上,在竖直平面内做圆周运动。取 g = 9.81 m/s²。在最高点处,速度至少为多少 vmin 才能使绳子恰好保持绷紧?

r = 0.6 mg = 9.81 m/s²
vmin = m/s
9.功和能中等
25°d = 11 mμ = 0.15

一个物块由静止沿倾角 25° 的斜面下滑。动摩擦因数为 0.15。求它沿斜面滑行 11 m 后的速度 v。

θ = 25°μ = 0.15d = 11 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
10.功和能困难
k = 2000 N/m20°μ = 0.153 kg

在 20° 斜坡底部有一根刚度为 2000 N/m 的弹簧,它顶着一个 3 kg 的物块被压缩 8 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 = 3 kgk = 2000 N/mx = 8 cmθ = 20°μ = 0.15g = 9.81 m/s²
d = m
11.动量与碰撞中等
2.5 kgv = ?5 gh = 10 cm

一颗 5 g 的子弹水平射入一个用轻绳悬挂的 2.5 kg 木块,并留在其中。木块摆起,直到比初始位置高 10 cm。取 g = 9.81 m/s²。求子弹撞击前的速度 v。

m = 5 gM = 2.5 kgh = 10 cmg = 9.81 m/s²
v = m/s
12.动量与碰撞困难
22 m/s15 m/s

一个 0.1 kg 的小球以 22 m/s 撞到墙上,并以 15 m/s 沿原路弹回。接触时间为 5 ms。 求墙对小球的平均作用力 Favg。

m = 0.1 kgvin = 22 m/svout = 15 m/sΔt = 5 ms
Favg = N
13.刚体转动中等
n = 2700 rpmTb​ = 200 N·mI = 1 kg·m²

转动惯量为 1 kg·m² 的飞轮以 2700 rpm 转动。制动器施加 200 N·m 的恒定摩擦转矩。 它需要多长时间 t 才能停下?

I = 1 kg·m²n = 2700 rpmTb = 200 N·m
t = s
14.刚体转动困难
θ = 35°vs = 8.5 m

一个实心圆柱从静止开始,沿与水平面成 35° 的斜面无滑动地滚下。取 g = 9.81 m/s²。 求它沿斜面滚过 8.5 m 后的速度 v。

θ = 35°s = 8.5 mI = ½·m·r²g = 9.81 m/s²
v = m/s
15.齿轮与齿轮系中等
d1​ = 125 mmd2​ = 500 mm1500 rpmn2​ = ?

一个 125 mm 的带轮以 1500 rpm 通过皮带驱动一个 500 mm 的带轮,打滑率为 3 %。求从动轮的转速 n2。

n1 = 1500 rpmd1 = 125 mmd2 = 500 mms = 3 %
n2 = rpm
16.齿轮与齿轮系困难
d1​ = 200 mmd2​ = 250 mm1450 rpmC = 600 mmT1​ = 600 NT2​P = ?

一条开口皮带把一个以 1450 rpm 转动、直径 200 mm 的主动轮与一个 250 mm 的带轮相连;中心距为 600 mm。摩擦系数为 0.25,紧边张力不得超过 600 N。求皮带在不打滑时能传递的最大功率 P,单位 kW(忽略离心效应)。

d1 = 200 mmn1 = 1450 rpmd2 = 250 mmC = 600 mmμ = 0.25T1 = 600 N
P = kW
17.弹簧与单摆中等
4 kgk = 200 N/mA = 20 cmx = 15 cm

一个连在 k = 200 N/m 弹簧上的 4 kg 物体在无摩擦表面上以 20 cm 的振幅振动。求它距平衡位置 15 cm 时的速度 v。

m = 4 kgk = 200 N/mA = 20 cmx = 15 cm
v = m/s
18.弹簧与单摆困难
1.8 kgk = 180 N/m

把一个 1.8 kg 的物体挂在一根 k = 180 N/m、处于原长的竖直弹簧下端,然后由静止释放。取 g = 9.81 m/s²。 求物体的最大速度 vmax。

m = 1.8 kgk = 180 N/mg = 9.81 m/s²
vmax = m/s
19.机械振动中等
tx20 mm2 个周期9.4 mm

在有阻尼质量–弹簧系统的自由振动试验中,位移峰值 20 mm 之后 2 个周期出现峰值 9.4 mm。 求阻尼比 ζ。

x0 = 20 mmx2 = 9.4 mmn = 2
ζ =
20.机械振动困难
k1​ = 20k2​ = 40m = 100 kg

一个 100 kg 的质量块悬挂在首尾相接(串联)的两根弹簧上:上弹簧 k₁ = 20 kN/m,下弹簧 k₂ = 40 kN/m。 求弹簧系统的等效刚度 keq,以 kN/m 计。

m = 100 kgk1 = 20 kN/mk2 = 40 kN/m
keq = kN/m

3溶液

1.运动学

答案: t = 5.128 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 = 120/3.6 = 33.33 m/s

制动时间

0 = v₀ − a·t → t = v₀/a = 33.33/6.5 = 5.128 s

答案

t = 5.128 s
2.运动学

答案: t = 1.731 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.

相遇时间

向上为正,地面为 y = 0。

45 − ½g·t² = 26·t − ½g·t² → t = 45/26 = 1.731 s

答案

t = 1.731 s
3.牛顿定律

答案: a = 3.257 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 25° − 0.1·cos 25°) = 9.81·(0.4226 − 0.09063) = 3.257 m/s²

答案

a = 3.257 m/s²
4.牛顿定律

答案: T = 44.44 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.

整个系统

a = (F − μ·(m1 + m2)·g)/(m1 + m2) = (100 − 17.66)/18 = 4.575 m/s²

单独分析后面的物块

T = m1·(a + μ·g) = 8·(4.575 + 0.981) = 44.44 N

答案

T = 44.44 N

两个物块的 μ 相同时,摩擦力被消去:T = F·m₁/(m₁ + m₂)。

5.抛体运动

答案: θ = 21.21 °

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 = 9.81·110/40² = 0.6744

相角

2θ = 42.41° → θ = 21.21°

答案

θ = 21.21°

另一个解为 90° − θ = 68.79°。

6.抛体运动

答案: H = 41.14 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 = 23·sin 40° = 14.78 m/s

高出悬崖的上升高度

Δh = vy²/(2g) = 14.78²/(2·9.81) = 11.14 m

离地面的高度

H = 30 + 11.14 = 41.14 m

答案

H = 41.14 m
7.圆周运动

答案: vmax = 32.09 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.

法向力为零

m·g = m·v²/r → v = √(g·r) = √(9.81·105) = 32.09 m/s

答案

vmax = 32.09 m/s
(115.5 km/h)
8.圆周运动

答案: vmin = 2.426 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。

最高点张力为零

m·g = m·v²/r → v = √(g·r) = √(9.81·0.6) = 2.426 m/s

答案

vmin = 2.426 m/s
9.功和能

答案: v = 7.866 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 = √(2·9.81·11·(0.4226 − 0.15·0.9063)) = 7.866 m/s

答案

v = 7.866 m/s
10.功和能

答案: d = 0.4503 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 = 8 cm = 0.08 m
½kx² = ½·2000·0.08² = 6.4 J

沿斜面的能量衡算

m·g = 3·9.81 = 29.43 N
½kx² = mg·d·(sin θ + μ·cos θ)
d = 6.4/(29.43·(0.342 + 0.15·0.9397)) = 0.4503 m

答案

d = 0.4503 m
11.动量与碰撞

答案: v = 701.8 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.

撞击后的摆动

V = √(2·g·h) = √(2·9.81·0.1) = 1.401 m/s

碰撞

m·v = (m + M)·V → v = (0.005 + 2.5)·1.401/0.005 = 701.8 m/s

答案

v = 701.8 m/s
12.动量与碰撞

答案: Favg = 740 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 = 0.1·(15 + 22) = 3.7 N·s

平均作用力

Favg = J/Δt = 3.7/0.005 = 740 N

答案

Favg = 740 N
13.刚体转动

答案: t = 1.414 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.

角速度

ω = 2π·2700/60 = 282.7 rad/s

减速度和时间

α = Tb/I = 200/1 = 200 rad/s²
t = ω/α = 282.7/200 = 1.414 s

答案

t = 1.414 s
14.刚体转动

答案: v = 7.986 m/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 = 8.5·sin 35° = 4.875 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 + 0.5)
v = √(2·9.81·4.875/1.5) = 7.986 m/s

答案

v = 7.986 m/s
15.齿轮与齿轮系

答案: n2 = 363.8 rpm

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。

无打滑时的转速

1500·125/500 = 375 rpm

有打滑

n2 = 375·0.97 = 363.8 rpm

答案

n2 = 363.8 rpm
16.齿轮与齿轮系

答案: P = 4.869 kW

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。

包角

θ = 3.058 rad

松边张力

eμθ = e0.7646 = 2.148, T₂ = 600/2.148 = 279.3 N

功率

P = (600 − 279.3)·15.18 = 4.869 kW

答案

P = 4.869 kW
17.弹簧与单摆

答案: v = 0.9354 m/s

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.

角频率

ω = √(200/4) = 7.071 rad/s

x 处的速度

v = ω·√(A² − x²) = 7.071·√(0.2² − 0.15²) = 0.9354 m/s

答案

v = 0.9354 m/s
18.弹簧与单摆

答案: vmax = 0.981 m/s

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.

平衡位置和振幅

x₀ = m·g/k = 1.8·9.81/180 = 0.0981 m = A

最大速度

速度在平衡位置处最大。

ω = √(180/1.8) = 10 rad/s
vmax = A·ω = 0.0981·10 = 0.981 m/s

答案

vmax = 0.981 m/s
19.机械振动

答案: ζ = 0.05997

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 = (1/2)·ln(20/9.4) = 0.3775

阻尼比

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0.3775/√(39.48 + 0.1425) = 0.05997

答案

ζ = 0.05997
20.机械振动

答案: keq = 13.33 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

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 = 1/20 + 1/40 → keq = 20·40/(20 + 40) = 13.33 kN/m

答案

keq = 13.33 kN/m

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