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 = 4.5 m/s²汽车30 m/s

一辆以恒定的 30 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 4.5 m/s² 匀加速。 警车需要多长时间追上?求 t。

vcar = 30 m/sapolice = 4.5 m/s²v0,police = 0
t = s
2.运动学困难
d = ?

一块石头由静止释放落入井中。释放后 1.6 s 听到落水声。声速为 343 m/s;忽略空气阻力,取 g = 9.81 m/s²。求井的深度 d。

ttotal = 1.6 svsound = 343 m/sg = 9.81 m/s²
d = m
3.牛顿定律中等
θ = 20°a = ?m = 11 kg

一个 11 kg 的物块沿倾角为 20° 的斜面下滑。动摩擦因数为 0.3。 取 g = 9.81 m/s²。求物块沿斜面的加速度 a。

m = 11 kgθ = 20°μ = 0.3g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.牛顿定律困难
θ = 20°物块v₀ = 10.5 m/s

一个物块被推了一下,以 10.5 m/s 的速度开始沿 20° 的斜面向上滑动。动摩擦因数为 0.25。取 g = 9.81 m/s²。它沿斜面滑行多远 d 后停止?

v₀ = 10.5 m/sθ = 20°μ = 0.25g = 9.81 m/s²
d = m
5.抛体运动中等
v0​ = 40 m/sθ = ?R = 55 m

一个球从水平地面以 40 m/s 抛出,必须落在 55 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 = 55 mg = 9.81 m/s²
θ = °
6.抛体运动困难
h = 15 mv0​ = 27 m/s35°射程

一个球 从 15 m 高的悬崖顶上以高于水平面 35° 的角度抛出。忽略空气阻力。求球落地前的飞行时间 t。

v0 = 27 m/sθ = 35°h = 15 mg = 9.81 m/s²
t = s
7.圆周运动中等
r = 25 mvmax​ = ?

一辆汽车通过半径为 25 m 的水平弯道。轮胎与路面之间的静摩擦因数为 0.6。取 g = 9.81 m/s²。求汽车不打滑地通过弯道的最大速度 vmax。

r = 25 mμs = 0.6g = 9.81 m/s²
vmax = m/s
8.圆周运动困难
R = 6.5 mh = ?

一辆小车在无摩擦轨道上由静止释放,驶入一个半径为 6.5 m 的竖直圆环。它必须从高出圆环底部至少多高 hmin 处出发,才能在圆环顶部保持在轨道上?

R = 6.5 mv₀ = 0
hmin = m
9.功和能中等
90 km/h5°2000 kg

一辆 2000 kg 的汽车以恒定的 90 km/h 驶上 5° 的斜坡。空气阻力和滚动阻力合计 350 N。求车轮须输出的功率 P,以 kW 表示。

m = 2000 kgθ = 5°Fr = 350 Nv = 90 km/hg = 9.81 m/s²
P = kW
10.功和能困难
h = 1 mL = 3.5 mμ = 0.15k = 4000 N/m

一个 2 kg 的物块从光滑坡道上 1 m 高处由静止释放。到达底部后,它通过一段长 3.5 m 的粗糙水平段(μ = 0.15),然后在光滑表面上撞上一根弹簧(k = 4000 N/m)。 求物块到达弹簧时的速度 v。

m = 2 kgh = 1 mL = 3.5 mμ = 0.15k = 4000 N/mg = 9.81 m/s²
v = m/s
11.动量与碰撞中等
4 kg65 m/s1 kgv′2​ = ?

一个以 13 m/s 水平运动的 5 kg 抛射体爆炸成沿同一直线运动的两块碎片。4 kg 的碎片以 65 m/s 继续向前运动。求 1 kg 碎片的速度 v′2(以原运动方向为正)。

M = 5 kgu = 13 m/sm1 = 4 kgv′1 = 65 m/sm2 = 1 kg
v′2 = m/s
12.动量与碰撞困难
18 m/s11 m/s

一个 0.45 kg 的小球以 18 m/s 撞到墙上,并以 11 m/s 沿原路弹回。接触时间为 5 ms。 求墙给小球的冲量大小 J。

m = 0.45 kgvin = 18 m/svout = 11 m/sΔt = 5 ms
J = N·s
13.刚体转动中等
L = 2.1 mm = 12.5 kgα

质量为 12.5 kg、长为 2.1 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 = 12.5 kgL = 2.1 mg = 9.81 m/s²
R = N
14.刚体转动困难
4.5 m/sω

一个质量为 11 kg 的实心圆柱以 4.5 m/s 的速度无滑动地滚动。 求它的转动动能 Erot。

m = 11 kgv = 4.5 m/sI = ½·m·r²
Erot = J
15.齿轮与齿轮系中等
Tw​ = ?z = 1, 1450 rpm

一台 0.37 kW、1450 rpm 的电动机驱动一个 1 头的蜗杆。蜗轮有 40 个齿,传动效率为 60%。求蜗轮轴上的输出转矩 Tw。

z = 1Nw = 40n = 1450 rpmP = 0.37 kWη = 60%
Tw = N·m
16.齿轮与齿轮系困难
A = 30B = 45C = 32D = 60

在一个复合轮系中,输入轴上的齿轮 A(30 齿)以 1440 rpm 转动,驱动齿轮 B(45 齿)。齿轮 C(32 齿)与 B 固定在同一根轴上,驱动输出轴上的齿轮 D(60 齿)。求输出转速 nout。

nin = 1440 rpmA = 30B = 45C = 32D = 60
nout = rpm
17.弹簧与单摆中等
L = ?

要使单摆的周期为 1.2 s,摆长应为多少?取 g = 9.81 m/s²。求 L。

T = 1.2 sg = 9.81 m/s²
L = m
18.弹簧与单摆困难
2.2 kgk = 70 N/mA = 7 cm

一个 2.2 kg 的物体连在 k = 70 N/m 的弹簧上,从平衡位置拉开 7 cm 后释放。 求它的最大加速度 amax。

m = 2.2 kgk = 70 N/mA = 7 cm
amax = m/s²
19.机械振动中等
k = 80 kN/mc = 350 N·s/mm = 150 kg

一个 150 kg 的质量块由刚度为 80 kN/m 的弹簧和阻尼系数为 350 N·s/m 的黏性阻尼器支承。求阻尼比 ζ。

m = 150 kgk = 80 kN/mc = 350 N·s/m
ζ =
20.机械振动困难
k1​ = 12k2​ = 60k3​ = 15m = 100 kg

一个 100 kg 的质量块悬挂在弹簧 k₃ = 15 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 = 12 kN/m 和 k₂ = 60 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 = 100 kgk1 = 12 kN/mk2 = 60 kN/mk3 = 15 kN/m
fn = Hz

3溶液

1.运动学

答案: t = 13.33 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 = 2·30/4.5 = 13.33 s

答案

t = 13.33 s

此时警车的速度为 2v = 60 m/s。

2.运动学

答案: d = 12.01 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.

时间的两部分

½·9.81·t₁² = 343·(1.6 − t₁)
4.905·t₁² + 343·t₁ − 548.8 = 0

下落时间

只有正根有物理意义。

t₁ = (−343 + √(343² + 4·4.905·548.8))/(2·4.905) = 1.565 s

深度

d = ½·9.81·1.565² = 12.01 m

答案

d = 12.01 m
3.牛顿定律

答案: a = 0.5897 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 20° − 0.3·cos 20°) = 9.81·(0.342 − 0.2819) = 0.5897 m/s²

答案

a = 0.5897 m/s²
4.牛顿定律

答案: d = 9.74 m

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

两个力都沿斜面向下;质量约去。

a = 9.81·(sin 20° + 0.25·cos 20°) = 5.66 m/s²

距离

d = v₀²/(2a) = 10.5²/(2·5.66) = 9.74 m

答案

d = 9.74 m
5.抛体运动

答案: θ = 9.854 °

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 = 9.81·55/40² = 0.3372

相角

2θ = 19.71° → θ = 9.854°

答案

θ = 9.854°

另一个解为 90° − θ = 80.15°。

6.抛体运动

答案: t = 3.935 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 = 27·cos 35° = 22.12 m/s
vy = v0·sin θ = 27·sin 35° = 15.49 m/s

飞行时间

解 y(t) = h + vy·t − ½gt² = 0,取正根。

0 = 15 + 15.49·t − 4.905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (15.49 + √(239.8 + 294.3))/9.81 = 3.935 s

答案

t = 3.935 s
7.圆周运动

答案: vmax = 12.13 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) = √(0.6·9.81·25) = 12.13 m/s

答案

vmax = 12.13 m/s (43.67 km/h)
8.圆周运动

答案: hmin = 16.25 m

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.

顶部的条件

m·g = m·v²/R → v² = g·R

能量守恒

g·h = g·2R + ½·g·R → h = 2.5·R = 2.5·6.5 = 16.25 m

答案

hmin = 16.25 m
9.功和能

答案: P = 51.5 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 5° = 1710 N
F = 1710 + 350 = 2060 N

功率

v = 90/3.6 = 25 m/s
P = F·v = 2060·25 = 51500 W = 51.5 kW

答案

P = 51.5 kW
10.功和能

答案: v = 3.053 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)。

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 = 19.62·(1 − 0.15·3.5) = 9.319 J

到达弹簧时的速度

½mv² = mg(h − μL) → v = √(2g(h − μL)) = √(2·9.81·0.475) = 3.053 m/s

答案

v = 3.053 m/s
11.动量与碰撞

答案: v′2 = −195 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 = 5·13 = 65 kg·m/s

碰撞后的动量

65 = 4·65 + 1·v′2
v′2 = (65 − 260)/1 = −195 m/s

答案

v′2 = −195 m/s

负号表示第二块碎片向后飞。

12.动量与碰撞

答案: J = 13.05 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 = 0.45·(11 + 18) = 13.05 N·s

答案

J = 13.05 N·s
13.刚体转动

答案: R = 30.66 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/(2·2.1) = 7.007 rad/s²

竖直方向的力

aG = α·L/2 = 7.357 m/s²
m·g − R = m·aG → R = 12.5·(9.81 − 7.357) = 30.66 N

答案

R = 30.66 N

R = m·g/4,与长度无关。

14.刚体转动

答案: Erot = 55.69 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 = ½·11·4.5² = 111.4 J
Erot = ½·I·ω² = ½·0.5·m·r²·(v/r)² = 0.5·111.4 = 55.69 J

答案

Erot = 55.69 J
15.齿轮与齿轮系

答案: Tw = 58.48 N·m

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 = 1450·1/40 = 36.25 rpm

输出扭矩

ωw = 2π·36.25/60 = 3.796 rad/s
Tw = η·P/ωw = 0.6·370/3.796 = 58.48 N·m

答案

Tw = 58.48 N·m
16.齿轮与齿轮系

答案: nout = 512 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 = 1440·30/45 = 960 rpm = nC

第二级

nout = 960·32/60 = 512 rpm

答案

nout = 512 rpm

总传动比 = 2.813 : 1

17.弹簧与单摆

答案: L = 0.3578 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·(1.2/2π)² = 0.3578 m

答案

L = 0.3578 m
18.弹簧与单摆

答案: amax = 2.227 m/s²

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 = √(70/2.2) = 5.641 rad/s

最大加速度

amax = A·ω² = 0.07·5.641² = 2.227 m/s²

答案

amax = 2.227 m/s²
19.机械振动

答案: ζ = 0.05052

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·√(80000·150) = 6928 N·s/m

阻尼比

ζ = c/cc = 350/6928 = 0.05052

答案

ζ = 0.05052

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 = 1.773 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 = 12 + 60 = 72 kN/m
keq = 72·15/(72 + 15) = 12.41 kN/m

固有频率

ωn = √(12414/100) = 11.14 rad/s
fn = 11.14/(2π) = 1.773 Hz

答案

fn = 1.773 Hz

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