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)1.5 s22.22

一位以 80 km/h 行驶的司机看到一个障碍物。她的反应时间为 1.5 s,之后汽车以 7.5 m/s² 的恒定减速度制动。求从她看到障碍物起的总停车距离 d。

v₀ = 80 km/htr = 1.5 sa = −7.5 m/s²
d = m
2.运动学困难
a = 28 m/s²

一枚模型火箭从静止竖直向上发射。其发动机使它获得 28 m/s² 的恒定向上加速度,持续 2.5 s,之后发动机停止,火箭做自由运动。忽略空气阻力,取 g = 9.81 m/s²。 求火箭达到的最大高度 hmax。

a = 28 m/s²t1 = 2.5 sg = 9.81 m/s²
hmax = m
3.牛顿定律中等
6 kg4 kg

质量为 6 kg 和 4 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 kgm2 = 4 kgg = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.牛顿定律困难
m1​ = 4.5 kg5.5 kg无摩擦

水平桌面上一个 4.5 kg 的物块通过跨过光滑滑轮的轻绳与一个悬挂的 5.5 kg 重物相连。 桌面光滑。 取 g = 9.81 m/s²。 求绳中的张力 T。

m1 = 4.5 kgm2 = 5.5 kgμ = 0g = 9.81 m/s²
T = N
5.抛体运动中等
v0​ = 30 m/s25°射程H = ?

一个球 从平地上以高于水平面 25° 的角度抛出。忽略空气阻力。求球达到的最大高度 H。

v0 = 30 m/sθ = 25°g = 9.81 m/s²
H = m
6.抛体运动困难
25 mv0​ = 32 m/s60°x = ?

一个球从地面以 32 m/s、与水平方向成 60° 的角度抛出。它在下落途中落在一栋 25 m 高的建筑的平屋顶上。忽略空气阻力,取 g = 9.81 m/s²。求从抛出点到落点的水平距离 x。

v₀ = 32 m/sθ = 60°hroof = 25 mg = 9.81 m/s²
x = m
7.圆周运动中等
r = 40 mvmax​ = ?

一辆汽车通过半径为 40 m 的水平弯道。轮胎与路面之间的静摩擦因数为 0.3。取 g = 9.81 m/s²。求汽车不打滑地通过弯道的最大速度 vmax。

r = 40 mμs = 0.3g = 9.81 m/s²
vmax = m/s
8.圆周运动困难
θ = 20°指向圆心vmax​ = ?

一个半径为 100 m 的弯道倾斜 20°,轮胎与路面之间的静摩擦因数为 0.4。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 = 100 mθ = 20°μs = 0.4g = 9.81 m/s²
vmax = m/s
9.功和能中等
20°d = 3 mμ = 0.25

一个物块由静止沿倾角 20° 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 = 20°μ = 0.25d = 3 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
10.功和能困难
5 kg4 kgμ = 0.3d = 1 m

一个 5 kg 的物块放在粗糙的水平桌面上(μ = 0.3)。一根轻绳从它出发,跨过桌边的光滑滑轮,连接一个悬挂的 4 kg 物块。系统由静止释放。求悬挂物块下降 1 m 后两物块的速度 v。

m1 = 5 kgm2 = 4 kgμ = 0.3d = 1 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
11.动量与碰撞中等
1700 kg22 m/s1300 kg

一辆以 22 m/s 行驶的 1700 kg 汽车撞上一辆静止的 1300 kg 汽车,两车卡在一起。 碰撞中损失了多少动能 ΔK?

m1 = 1700 kgv1 = 22 m/sm2 = 1300 kgv2 = 0
ΔK = J
12.动量与碰撞困难
800 kg11 m/s1100 kg24 m/sv′ = ?

在一个十字路口,一辆以 11 m/s 向东行驶的 800 kg 汽车与一辆以 24 m/s 向北行驶的 1100 kg 汽车相撞。两车卡在一起。 求碰撞后瞬间残骸的速度 v′。

m1 = 800 kgv1 = 11 m/s (E)m2 = 1100 kgv2 = 24 m/s (N)
v′ = m/s
13.刚体转动中等
ω = ?5 kgL = 1.1 mm = 7.5 kg

质量为 7.5 kg、长为 1.1 m 的均匀细杆一端铰接,在水平位置从静止释放。 一个质量为 5 kg 的小球固定在它的自由端。 忽略摩擦,取 g = 9.81 m/s²。 求杆摆过竖直位置时的角速度 ω。

m = 7.5 kgL = 1.1 mmball = 5 kgg = 9.81 m/s²
ω = rad/s
14.刚体转动困难
3.5 m/sω

一个质量为 3 kg 的实心球以 3.5 m/s 的速度无滑动地滚动。 求它的总动能 Ek。

m = 3 kgv = 3.5 m/sI = (2/5)·m·r²
Ek = J
15.齿轮与齿轮系中等
N1​ = 24, m = 2.5 mm

一台 2.2 kW、转速 2900 rpm 的电动机驱动一个齿数为 24、模数为 2.5 mm 的小齿轮。求小齿轮齿上的切向力 Ft。

P = 2.2 kWn = 2900 rpmN1 = 24m = 2.5 mm
Ft = N
16.齿轮与齿轮系困难
Ns​ = 15齿圈固定Np​ = 15nc​ = ?

在一个行星齿轮系中,太阳轮有 15 个齿,每个行星轮有 15 个齿。齿圈固定,太阳轮以 900 rpm 驱动。求行星架的转速 nc。

Ns = 15Np = 15ns = 900 rpm
nc = rpm
17.弹簧与单摆中等
L = 1 mT = 2.11 s

一名宇航员在另一颗行星上发现,一个长 1 m 的单摆在小幅摆动时周期为 2.11 s。求该行星上的重力加速度 g。

L = 1 mT = 2.11 s
g = m/s²
18.弹簧与单摆困难
3.8 kgk = 220 N/mA = 4 cm

一个 3.8 kg 的物体连在 k = 220 N/m 的弹簧上,从平衡位置拉开 4 cm 后释放。 求振动的总能量 E。

m = 3.8 kgk = 220 N/mA = 4 cm
E = J
19.机械振动中等
k = 150 kN/mζ = 0.3m = 150 kg

一个 150 kg 的质量块挂在刚度为 150 kN/m 的弹簧上,黏性阻尼器使阻尼比为 0.3。求其自由振动的有阻尼固有频率 fd,以 Hz 计。

m = 150 kgk = 150 kN/mζ = 0.3
fd = Hz
20.机械振动困难
k1​ = 60k2​ = 15m = 40 kg

一个 40 kg 的质量块悬挂在并排(并联)的两根弹簧上,刚度分别为 k₁ = 60 kN/m 和 k₂ = 15 kN/m。质量块保持水平。 求弹簧系统的等效刚度 keq,以 kN/m 计。

m = 40 kgk1 = 60 kN/mk2 = 15 kN/m
keq = kN/m

3溶液

1.运动学

答案: d = 66.26 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.

单位

v₀ = 80/3.6 = 22.22 m/s

反应距离

d1 = v₀·tr = 22.22·1.5 = 33.33 m

制动距离

d2 = v₀²/(2a) = 22.22²/(2·7.5) = 32.92 m

合计

d = 33.33 + 32.92 = 66.26 m

答案

d = 66.26 m
2.运动学

答案: hmax = 337.2 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.

动力阶段

v₁ = 28·2.5 = 70 m/s
h₁ = ½·28·2.5² = 87.5 m

向上的自由飞行

在最高点速度为零。

Δh = v₁²/(2g) = 70²/(2·9.81) = 249.7 m
hmax = 87.5 + 249.7 = 337.2 m

答案

hmax = 337.2 m
3.牛顿定律

答案: a = 1.962 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 − 4)·9.81/(6 + 4) = 1.962 m/s²

答案

a = 1.962 m/s²
4.牛顿定律

答案: T = 24.28 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) = (53.96 − 0)/10 = 5.396 m/s²

由桌面上的物块求张力

T − μ·m1·g = m1·a
T = 4.5·5.396 + 0 = 24.28 N

答案

T = 24.28 N
5.抛体运动

答案: H = 8.193 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 = 30·cos 25° = 27.19 m/s
vy = v0·sin θ = 30·sin 25° = 12.68 m/s

最高点

在最高点竖直速度为零:vy² = 2gH。

H = vy²/(2g) = 12.68²/(2·9.81) = 8.193 m

答案

H = 8.193 m
6.抛体运动

答案: x = 72.37 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.

分解初速度

vx = 16 m/s, vy = 27.71 m/s

落到屋顶的时间

较大的根:球正在下降。

25 = 27.71·t − 4.905·t²
t = (27.71 + √(27.71² − 2·9.81·25))/9.81 = 4.523 s

水平距离

x = vx·t = 16·4.523 = 72.37 m

答案

x = 72.37 m
7.圆周运动

答案: vmax = 10.85 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) = √(0.3·9.81·40) = 10.85 m/s

答案

vmax = 10.85 m/s (39.06 km/h)
8.圆周运动

答案: vmax = 29.62 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 = √(100·9.81·0.7179/0.8029) = 29.62 m/s

答案

vmax = 29.62 m/s
(106.6 km/h)
9.功和能

答案: v = 2.511 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·(0.342 − 0.25·0.9397)) = 2.511 m/s

答案

v = 2.511 m/s
10.功和能

答案: v = 2.335 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 = 39.24·1 = 39.24 J
μ·m₁g·d = 0.3·49.05·1 = 14.71 J

两个物块的动能

½(m₁ + m₂)v² = 24.53 → v = √(2·24.53/9) = 2.335 m/s

答案

v = 2.335 m/s
11.动量与碰撞

答案: ΔK = 178273 J

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.

共同速度

v′ = m1·v1/(m1 + m2) = 1700·22/3000 = 12.47 m/s

碰撞前后的动能

Kbefore = ½·1700·22² = 411400 J
Kafter = ½·3000·12.47² = 233127 J

损失的能量

ΔK = 411400 − 233127 = 178273 J

答案

ΔK = 178273 J

损失的能量转化为形变、热和声音。

12.动量与碰撞

答案: v′ = 14.65 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.

动量分量

px = 800·11 = 8800 kg·m/s
py = 1100·24 = 26400 kg·m/s

残骸的速度

v′ = √(px² + py²)/(m1 + m2) = 27828/1900 = 14.65 m/s

答案

v′ = 14.65 m/s
13.刚体转动

答案: ω = 4.562 rad/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 + mball·g·L = 7.5·9.81·0.55 + 5·9.81·1.1 = 94.42 J

对销钉的转动惯量

IO = m·L²/3 + mball·L² = 3.025 + 6.05 = 9.075 kg·m²

能量衡算

½·IO·ω² = 94.42 → ω = √(2·94.42/9.075) = 4.562 rad/s

答案

ω = 4.562 rad/s
14.刚体转动

答案: Ek = 25.73 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 = ½·3·3.5² = 18.38 J
Erot = ½·I·ω² = ½·0.4·m·r²·(v/r)² = 0.4·18.38 = 7.35 J

合计

Ek = 18.38 + 7.35 = 25.73 J

答案

Ek = 25.73 J
15.齿轮与齿轮系

答案: Ft = 241.5 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 = 2200/303.7 = 7.244 N·m

分度圆直径

d = m·N = 2.5·24 = 60 mm

切向力

Ft = 2T/d = 2·7.244/0.06 = 241.5 N

答案

Ft = 241.5 N
16.齿轮与齿轮系

答案: nc = 225 rpm

行星齿轮系:太阳轮、齿圈和行星架的转速由威利斯方程 (ns − nc)/(nr − nc) = −Nr/Ns 联系起来:从行星架上看,该轮系是以行星轮为惰轮的普通轮系。固定其中一个构件,轮系就成为一个单一传动比的减速器。

齿圈齿数

Nr = Ns + 2·Np = 15 + 2·15 = 45

齿圈固定时的威利斯方程

令 nr = 0,求行星架的转速。

(900 − nc)/(0 − nc) = −45/15
nc = ns·Ns/(Ns + Nr) = 900·15/60 = 225 rpm

答案

nc = 225 rpm

行星架与太阳轮转向相同。

17.弹簧与单摆

答案: g = 8.867 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 = 4π²·1/2.11² = 8.867 m/s²

答案

g = 8.867 m/s²
18.弹簧与单摆

答案: E = 0.176 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 = √(220/3.8) = 7.609 rad/s

能量

E = ½·k·A² = ½·220·0.04² = 0.176 J

答案

E = 0.176 J
19.机械振动

答案: fd = 4.801 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。

无阻尼固有频率

ωn = √(150000/150) = 31.62 rad/s
fn = 31.62/(2π) = 5.033 Hz

有阻尼固有频率

fd = fn·√(1 − ζ²) = 5.033·√(1 − 0.3²) = 4.801 Hz

答案

fd = 4.801 Hz
20.机械振动

答案: keq = 75 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

并排的弹簧变形相同、力相加,所以刚度直接相加:k = k1 + k2。

keq = 60 + 15 = 75 kN/m

答案

keq = 75 kN/m

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