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
a = 2.25 m/s²s = 1200 m

一架飞机从静止开始,以 2.25 m/s² 沿跑道匀加速。求它滑行 1200 m 后的速度 v。

v₀ = 0a = 2.25 m/s²s = 1200 m
v = m/s
2.运动学困难
t (s)v (m/s)6 s

一辆有轨电车从静止开始以 1.5 m/s² 加速 6 s,然后匀速行驶 16 s,最后以 2 m/s² 制动直到停止。 求两站之间的总距离 s。

a1 = 1.5 m/s²t1 = 6 st2 = 16 sa3 = −2 m/s²
s = m
3.牛顿定律中等
θ = 25°35 kgF = ?

一个 35 kg 的箱子被一个平行于斜面的力沿与水平方向成 25° 的斜面匀速向上推。动摩擦因数为 0.15。取 g = 9.81 m/s²。求推力 F。

m = 35 kgθ = 25°μ = 0.15g = 9.81 m/s²
F = N
4.牛顿定律困难
8 kg2 kgTF = 25 Nμ = 0.1

水平地面上的两个物块由一根水平轻绳相连。一个 25 N 的水平力拉前面 2 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。 求物块的加速度 a。

m1 = 8 kgm2 = 2 kgF = 25 Nμ = 0.1g = 9.81 m/s²
a = m/s²
5.抛体运动中等
v0​ = 18 m/s60°射程H = ?

一个球 从平地上以高于水平面 60° 的角度抛出。忽略空气阻力。求球达到的最大高度 H。

v0 = 18 m/sθ = 60°g = 9.81 m/s²
H = m
6.抛体运动困难
h = 5 mv0​ = 16 m/s60°v = ?

一个球从 5 m 高的悬崖顶部以 16 m/s、与水平方向成 60° 的角度抛出。忽略空气阻力,取 g = 9.81 m/s²。 求它落地时的速度 v。

v₀ = 16 m/sθ = 60°h = 5 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
7.圆周运动中等
r = 140 mvmax​ = ?

一辆汽车通过半径为 140 m 的水平弯道。轮胎与路面之间的静摩擦因数为 0.5。取 g = 9.81 m/s²。求汽车不打滑地通过弯道的最大速度 vmax。

r = 140 mμs = 0.5g = 9.81 m/s²
vmax = m/s
8.圆周运动困难
r = 1.5 mv = 6 m/s

一个 0.8 kg 的小球系在长 1.5 m 的绳上,在竖直平面内做圆周运动。在最低点时它的速度为 6 m/s。取 g = 9.81 m/s²。求最低点处绳中的张力 T。

m = 0.8 kgr = 1.5 mv = 6 m/sg = 9.81 m/s²
T = N
9.功和能中等
54 km/h4°1200 kg

一辆 1200 kg 的汽车以恒定的 54 km/h 驶上 4° 的斜坡。空气阻力和滚动阻力合计 650 N。求车轮须输出的功率 P,以 kW 表示。

m = 1200 kgθ = 4°Fr = 650 Nv = 54 km/hg = 9.81 m/s²
P = kW
10.功和能困难
F = 120 N35°μ = 0.28 kg

一个 8 kg 的物块从 35° 斜坡的底部由静止开始,被一个平行于斜坡、大小为 120 N 的恒力沿斜坡向上拉。动摩擦因数为 0.2。求物块沿斜坡向上移动 9 m 后的速度 v。

m = 8 kgF = 120 Nθ = 35°μ = 0.2d = 9 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
11.动量与碰撞中等
6 kg27 m/s3 kgv′2​ = ?

一个以 16 m/s 水平运动的 9 kg 抛射体爆炸成沿同一直线运动的两块碎片。6 kg 的碎片以 27 m/s 继续向前运动。求 3 kg 碎片的速度 v′2(以原运动方向为正)。

M = 9 kgu = 16 m/sm1 = 6 kgv′1 = 27 m/sm2 = 3 kg
v′2 = m/s
12.动量与碰撞困难
1600 kg12 m/s900 kg19 m/sv′ = ?

在一个十字路口,一辆以 12 m/s 向东行驶的 1600 kg 汽车与一辆以 19 m/s 向北行驶的 900 kg 汽车相撞。两车卡在一起。 求碰撞后瞬间残骸的速度 v′。

m1 = 1600 kgv1 = 12 m/s (E)m2 = 900 kgv2 = 19 m/s (N)
v′ = m/s
13.刚体转动中等
0 → 2700 rpmI = 29.5 kg·m²

一台电动机用 39 s 把转动惯量为 29.5 kg·m² 的飞轮从静止加速到 2700 rpm。忽略损耗,求它输出的平均功率 Pavg,单位 kW。

I = 29.5 kg·m²n = 2700 rpmt = 39 s
Pavg = kW
14.刚体转动困难
θ = 10°as = 2 m

一个实心球沿与水平面成 10° 的斜面无滑动地滚下。取 g = 9.81 m/s²。 它从静止开始。沿斜面滚下 2 m 需要多长时间 t?

θ = 10°I = (2/5)·m·r²g = 9.81 m/s²s = 2 m
t = s
15.齿轮与齿轮系中等
N1​ = 25, m = 5 mm

一台 11 kW、转速 960 rpm 的电动机驱动一个齿数为 25、模数为 5 mm 的小齿轮。求小齿轮齿上的切向力 Ft。

P = 11 kWn = 960 rpmN1 = 25m = 5 mm
Ft = N
16.齿轮与齿轮系困难
A = 12B = 72C = 25D = ?

在一个复合轮系中,输入轴上的齿轮 A(12 齿)以 2880 rpm 转动,驱动齿轮 B(72 齿)。齿轮 C(25 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 240 rpm 转动。齿轮 D 须有多少个齿 ND?

nin = 2880 rpmA = 12B = 72C = 25nout = 240 rpm
ND =
17.弹簧与单摆中等
L = ?

要使单摆的周期为 1 s,摆长应为多少?取 g = 9.81 m/s²。求 L。

T = 1 sg = 9.81 m/s²
L = m
18.弹簧与单摆困难
t (s)x (cm)t = ?2.8

一个物体做简谐振动,周期为 3.9 s,振幅为 7 cm。 它从平衡位置运动到位移 2.8 cm 处所需的最短时间 t 是多少?

T = 3.9 sA = 7 cmx = 2.8 cm
t = s
19.机械振动中等
k = 100 kN/mc = 1600 N·s/mm = 40 kg

一个 40 kg 的质量块由刚度为 100 kN/m 的弹簧和阻尼系数为 1600 N·s/m 的黏性阻尼器支承。求阻尼比 ζ。

m = 40 kgk = 100 kN/mc = 1600 N·s/m
ζ =
20.机械振动困难
k1​ = 40k2​ = 5k3​ = 20m = 5 kg

一个 5 kg 的质量块悬挂在弹簧 k₃ = 20 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 = 40 kN/m 和 k₂ = 5 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 = 5 kgk1 = 40 kN/mk2 = 5 kN/mk3 = 20 kN/m
fn = Hz

3溶液

1.运动学

答案: v = 73.48 m/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.

经过该距离后的速度

v = √(2·a·s) = √(2·2.25·1200) = 73.48 m/s

答案

v = 73.48 m/s
(264.5 km/h)
2.运动学

答案: s = 191.3 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.

最高速度

v = a1·t1 = 1.5·6 = 9 m/s

各阶段的距离

s1 = ½·1.5·6² = 27 m
s2 = 9·16 = 144 m
s3 = 9²/(2·2) = 20.25 m

总距离

s = 27 + 144 + 20.25 = 191.3 m

答案

s = 191.3 m
3.牛顿定律

答案: F = 191.8 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.

沿斜面方向的力

匀速:各力平衡。

F = m·g·sin θ + μ·m·g·cos θ

推力

F = 145.1 + 46.68 = 191.8 N

答案

F = 191.8 N
4.牛顿定律

答案: a = 1.519 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.

整个系统

a = (F − μ·(m1 + m2)·g)/(m1 + m2) = (25 − 9.81)/10 = 1.519 m/s²

答案

a = 1.519 m/s²
5.抛体运动

答案: H = 12.39 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 = 18·cos 60° = 9 m/s
vy = v0·sin θ = 18·sin 60° = 15.59 m/s

最高点

在最高点竖直速度为零:vy² = 2gH。

H = vy²/(2g) = 15.59²/(2·9.81) = 12.39 m

答案

H = 12.39 m
6.抛体运动

答案: v = 18.82 m/s

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·cos 60° = 8 m/s
vy0 = 16·sin 60° = 13.86 m/s

落地时的竖直速度

用能量,或在竖直方向用 v² = v₀² + 2as。

vy = √(13.86² + 2·9.81·5) = 17.03 m/s

落水速度

v = √(8² + 17.03²) = 18.82 m/s

答案

v = 18.82 m/s

用能量校核:v² = v₀² + 2gh。

7.圆周运动

答案: vmax = 26.2 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) = √(0.5·9.81·140) = 26.2 m/s

答案

vmax = 26.2 m/s (94.34 km/h)
8.圆周运动

答案: T = 27.05 N

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。

最低点处的受力

指向圆心(向上)为正。

T − m·g = m·v²/r
T = 0.8·9.81 + 0.8·6²/1.5 = 7.848 + 19.2 = 27.05 N

答案

T = 27.05 N
9.功和能

答案: P = 22.07 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 = 1200·9.81 = 11772 N
mg·sin θ = 11772·sin 4° = 821.2 N
F = 821.2 + 650 = 1471 N

功率

v = 54/3.6 = 15 m/s
P = F·v = 1471·15 = 22068 W = 22.07 kW

答案

P = 22.07 kW
10.功和能

答案: v = 11.82 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)。

沿斜面方向的力

m·g = 8·9.81 = 78.48 N
mg·sin θ = 45.01 N
μ·mg·cos θ = 12.86 N

功–能关系

½mv² = (120 − 57.87)·9 = 559.2 J
v = √(2·559.2/8) = 11.82 m/s

答案

v = 11.82 m/s
11.动量与碰撞

答案: v′2 = −6 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 = 9·16 = 144 kg·m/s

碰撞后的动量

144 = 6·27 + 3·v′2
v′2 = (144 − 162)/3 = −6 m/s

答案

v′2 = −6 m/s

负号表示第二块碎片向后飞。

12.动量与碰撞

答案: v′ = 10.28 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 = 1600·12 = 19200 kg·m/s
py = 900·19 = 17100 kg·m/s

残骸的速度

v′ = √(px² + py²)/(m1 + m2) = 25711/2500 = 10.28 m/s

答案

v′ = 10.28 m/s
13.刚体转动

答案: Pavg = 30.24 kW

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

能量

E = ½·I·ω² = ½·29.5·282.7² = 1.179 × 10⁶ J

平均功率

Pavg = E/t = 1.179 × 10⁶/39 = 30235 W = 30.24 kW

答案

Pavg = 30.24 kW
14.刚体转动

答案: t = 1.813 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.

运动方程

m·g·sin θ − f = m·a
f·r = I·α = 0.4·m·r²·(a/r) → f = 0.4·m·a

加速度

a = g·sin θ/(1 + c) = 9.81·sin 10°/1.4 = 1.217 m/s²

时间

s = ½·a·t² → t = √(2·2/1.217) = 1.813 s

答案

t = 1.813 s
15.齿轮与齿轮系

答案: Ft = 1751 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·960/60 = 100.5 rad/s
T = P/ω = 11000/100.5 = 109.4 N·m

分度圆直径

d = m·N = 5·25 = 125 mm

切向力

Ft = 2T/d = 2·109.4/0.125 = 1751 N

答案

Ft = 1751 N
16.齿轮与齿轮系

答案: ND = 50

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 = 2880·12/72 = 480 rpm

齿轮 D 的齿数

ND = C·nC/nout = 25·480/240 = 50

答案

ND = 50
17.弹簧与单摆

答案: L = 0.2485 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·(1/2π)² = 0.2485 m

答案

L = 0.2485 m
18.弹簧与单摆

答案: t = 0.2554 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 = 2π/T = 2π/3.9 = 1.611 rad/s

求解时间

0.4 = sin(ω·t) → ω·t = arcsin(0.4) = 0.4115 rad
t = 0.4115/1.611 = 0.2554 s

答案

t = 0.2554 s
19.机械振动

答案: ζ = 0.4

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·√(100000·40) = 4000 N·s/m

阻尼比

ζ = c/cc = 1600/4000 = 0.4

答案

ζ = 0.4

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 = 8.375 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 = 40 + 5 = 45 kN/m
keq = 45·20/(45 + 20) = 13.85 kN/m

固有频率

ωn = √(13846/5) = 52.62 rad/s
fn = 52.62/(2π) = 8.375 Hz

答案

fn = 8.375 Hz

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