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。

新题目返回课程

在打印窗口中选择“另存为 PDF”,即可在设备上保存一份副本。

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)1.923 s12.5

一辆以 45 km/h 行驶的汽车以 6.5 m/s² 的恒定减速度制动,直到停下。 求制动距离 s。

v₀ = 45 km/ha = −6.5 m/s²v = 0
s = m
2.运动学困难
v₀ = 18 m/s40 m

从离地面 40 m 高的屋顶边缘以 18 m/s 的速度竖直向上抛出一个小球。忽略空气阻力,取 g = 9.81 m/s²。 求小球离地面的最大高度 hmax。

v₀ = 18 m/sh₀ = 40 mg = 9.81 m/s²
hmax = m
3.牛顿定律中等
θ = 35°a = ?m = 5 kg

一个 5 kg 的物块沿倾角为 35° 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 = 5 kgθ = 35°μ = 0.1g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.牛顿定律困难
10 kg1 kgTF = 140 Nμ = 0.1

水平地面上的两个物块由一根水平轻绳相连。一个 140 N 的水平力拉前面 1 kg 的物块;10 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 = 10 kgm2 = 1 kgF = 140 Nμ = 0.1g = 9.81 m/s²
a = m/s²
5.抛体运动中等
61 my = ?v0​ = 36 m/s65°

一个球从水平地面以 36 m/s、与水平方向成 65° 的角度朝 61 m 外的一面墙踢出。忽略空气阻力,取 g = 9.81 m/s²。球经过墙时的高度 y 是多少?

v₀ = 36 m/sθ = 65°x = 61 mg = 9.81 m/s²
y = m
6.抛体运动困难
h = 25 mv0​ = 27 m/s20°α = ?

一个球从 25 m 高的悬崖顶部以 27 m/s、与水平方向成 20° 的角度抛出。忽略空气阻力,取 g = 9.81 m/s²。 它落地时与水平方向向下成多大角度 α?

v₀ = 27 m/sθ = 20°h = 25 mg = 9.81 m/s²
α = °
7.圆周运动中等
θ = ?指向圆心100 km/h

一位道路工程师希望汽车以 100 km/h 通过半径为 150 m 的弯道时不依赖摩擦力。取 g = 9.81 m/s²。求弯道的倾角 θ。

r = 150 mv = 100 km/hg = 9.81 m/s²
θ = °
8.圆周运动困难
r = 0.6 m7.5 m/svtop​ = ?

一个 0.9 kg 的球系在长 0.6 m 的轻绳上,在竖直平面内做圆周运动。在最低点它的速度为 7.5 m/s。忽略空气阻力,取 g = 9.81 m/s²。求最高点时绳中的拉力 Ttop。

m = 0.9 kgr = 0.6 mvbottom = 7.5 m/sg = 9.81 m/s²
Ttop = N
9.功和能中等
36 km/h2°1200 kg

一辆 1200 kg 的汽车以恒定的 36 km/h 驶上 2° 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 = 1200 kgθ = 2°Fr = 350 Nv = 36 km/hg = 9.81 m/s²
P = kW
10.功和能困难
h = 2.5 mL = 5 mμ = 0.15k = 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 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 = 1500 N/m)。 求物块到达弹簧时的速度 v。

m = 2.5 kgh = 2.5 mL = 5 mμ = 0.15k = 1500 N/mg = 9.81 m/s²
v = m/s
11.动量与碰撞中等
7 kg48 m/s10 kgv′2​ = ?

一个以 38 m/s 水平运动的 17 kg 抛射体爆炸成沿同一直线运动的两块碎片。7 kg 的碎片以 48 m/s 继续向前运动。求 10 kg 碎片的速度 v′2(以原运动方向为正)。

M = 17 kgu = 38 m/sm1 = 7 kgv′1 = 48 m/sm2 = 10 kg
v′2 = m/s
12.动量与碰撞困难
1800 kg19 m/s1800 kg22 m/sθ = ?

在一个十字路口,一辆以 19 m/s 向东行驶的 1800 kg 汽车与一辆以 22 m/s 向北行驶的 1800 kg 汽车相撞。两车卡在一起。 求碰撞后瞬间残骸的方向 θ,以东偏北的角度表示。

m1 = 1800 kgv1 = 19 m/s (E)m2 = 1800 kgv2 = 22 m/s (N)
θ = °
13.刚体转动中等
0 → 2600 rpmI = 36 kg·m²

一台电动机用 36 s 把转动惯量为 36 kg·m² 的飞轮从静止加速到 2600 rpm。忽略损耗,求它输出的平均功率 Pavg,单位 kW。

I = 36 kg·m²n = 2600 rpmt = 36 s
Pavg = kW
14.刚体转动困难
θ = 30°a

一个空心球沿与水平面成 30° 的斜面无滑动地滚下。取 g = 9.81 m/s²。 求其质心的加速度 a。

θ = 30°I = (2/3)·m·r²g = 9.81 m/s²
a = m/s²
15.齿轮与齿轮系中等
d1​ = 160 mmd2​ = 450 mm720 rpmT1​ = 500 NT2​ = 150 NP = ?

一条皮带绕在一个以 720 rpm 转动、直径 160 mm 的主动轮上。紧边张力为 500 N,松边张力为 150 N。求传递的功率 P,单位 kW。

d1 = 160 mmn1 = 720 rpmT1 = 500 NT2 = 150 N
P = kW
16.齿轮与齿轮系困难
Ns​ = 24nr​ = ?Np​ = 24行星架固定

在一个行星齿轮系中,太阳轮有 24 个齿,每个行星轮有 24 个齿。行星架固定,太阳轮以 900 rpm 驱动。求齿圈的转速 nr(大小)。

Ns = 24Np = 24ns = 900 rpm
nr = rpm
17.弹簧与单摆中等
L = 1.3 m

一个单摆的摆长为 1.3 m。取 g = 9.81 m/s²。求小角度摆动时的周期 T。

L = 1.3 mg = 9.81 m/s²
T = s
18.弹簧与单摆困难
0.8 kgk = 220 N/mA = 12 cm

一个 0.8 kg 的物体连在 k = 220 N/m 的弹簧上,从平衡位置拉开 12 cm 后释放。 求它的最大速度 vmax。

m = 0.8 kgk = 220 N/mA = 12 cm
vmax = m/s
19.机械振动中等
tx15 mm4 个周期9.1 mm

在有阻尼质量–弹簧系统的自由振动试验中,位移峰值 15 mm 之后 4 个周期出现峰值 9.1 mm。 求阻尼比 ζ。

x0 = 15 mmx4 = 9.1 mmn = 4
ζ =
20.机械振动困难
k1​ = 80k2​ = 15m = 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 = 80 kN/m,下弹簧 k₂ = 15 kN/m。 求弹簧系统的等效刚度 keq,以 kN/m 计。

m = 50 kgk1 = 80 kN/mk2 = 15 kN/m
keq = kN/m

3溶液

1.运动学

答案: s = 12.02 m

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 = 45/3.6 = 12.5 m/s

制动距离

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 12.5²/(2·6.5) = 12.02 m

答案

s = 12.02 m
2.运动学

答案: hmax = 56.51 m

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。

高出屋顶的高度

0 = v₀² − 2·g·Δh → Δh = 18²/(2·9.81) = 16.51 m

离地面的高度

hmax = 40 + 16.51 = 56.51 m

答案

hmax = 56.51 m
3.牛顿定律

答案: a = 4.823 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 35° − 0.1·cos 35°) = 9.81·(0.5736 − 0.08192) = 4.823 m/s²

答案

a = 4.823 m/s²
4.牛顿定律

答案: a = 11.75 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) = (140 − 10.79)/11 = 11.75 m/s²

答案

a = 11.75 m/s²
5.抛体运动

答案: y = 51.97 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.

到达墙的时间

vx = 36·cos 65° = 15.21 m/s
t = x/vx = 61/15.21 = 4.009 s

此时的高度

y = 32.63·4.009 − ½·9.81·4.009² = 51.97 m

答案

y = 51.97 m

球到达墙时已经在下落。

6.抛体运动

答案: α = 43.4 °

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 = 27·cos 20° = 25.37 m/s
vy0 = 27·sin 20° = 9.235 m/s

落地时的竖直速度

用能量,或在竖直方向用 v² = v₀² + 2as。

vy = √(9.235² + 2·9.81·25) = 24 m/s

落地角度

tan α = vy/vx = 24/25.37 → α = 43.4°

答案

α = 43.4°
7.圆周运动

答案: θ = 27.67 °

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.

单位

v = 100/3.6 = 27.78 m/s

弯道倾角

tan θ = v²/(r·g) = 27.78²/(150·9.81) = 0.5244
θ = 27.67°

答案

θ = 27.67°
8.圆周运动

答案: Ttop = 40.23 N

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.

顶点的速度

在高度 2r 上,动能转化为势能。

vtop² = 7.5² − 4·9.81·0.6 = 32.71 m²/s²

顶点的受力

拉力和重力都向下,指向圆心。

T + m·g = m·vtop²/r
T = 0.9·32.71/0.6 − 0.9·9.81 = 40.23 N

答案

Ttop = 40.23 N
9.功和能

答案: P = 7.608 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 2° = 410.8 N
F = 410.8 + 350 = 760.8 N

功率

v = 36/3.6 = 10 m/s
P = F·v = 760.8·10 = 7608 W = 7.608 kW

答案

P = 7.608 kW
10.功和能

答案: v = 5.86 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 = 24.53·(2.5 − 0.15·5) = 42.92 J

到达弹簧时的速度

½mv² = mg(h − μL) → v = √(2g(h − μL)) = √(2·9.81·1.75) = 5.86 m/s

答案

v = 5.86 m/s
11.动量与碰撞

答案: v′2 = 31 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 = 17·38 = 646 kg·m/s

碰撞后的动量

646 = 7·48 + 10·v′2
v′2 = (646 − 336)/10 = 31 m/s

答案

v′2 = 31 m/s
12.动量与碰撞

答案: θ = 49.18 °

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 = 1800·19 = 34200 kg·m/s
py = 1800·22 = 39600 kg·m/s

方向

tan θ = py/px = 1.158 → θ = 49.18°

答案

θ = 49.18°
13.刚体转动

答案: Pavg = 37.07 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·2600/60 = 272.3 rad/s

能量

E = ½·I·ω² = ½·36·272.3² = 1.334 × 10⁶ J

平均功率

Pavg = E/t = 1.334 × 10⁶/36 = 37066 W = 37.07 kW

答案

Pavg = 37.07 kW
14.刚体转动

答案: a = 2.943 m/s²

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 = 0.6667·m·r²·(a/r) → f = 0.6667·m·a

加速度

a = g·sin θ/(1 + c) = 9.81·sin 30°/1.667 = 2.943 m/s²

答案

a = 2.943 m/s²
15.齿轮与齿轮系

答案: P = 2.111 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。

皮带速度

v = 6.032 m/s

功率

P = (500 − 150)·6.032 = 2111 W = 2.111 kW

答案

P = 2.111 kW
16.齿轮与齿轮系

答案: nr = 300 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 = 24 + 2·24 = 72

行星架固定时的威利斯方程

nc = 0 时,太阳轮通过起惰轮作用的行星轮驱动齿圈。

nr = −ns·Ns/Nr = −900·24/72 = −300 rpm
|nr| = 300 rpm

答案

nr = 300 rpm

齿圈与太阳轮转向相反。

17.弹簧与单摆

答案: T = 2.287 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。

单摆周期

T = 2π·√(1.3/9.81) = 2.287 s

答案

T = 2.287 s
18.弹簧与单摆

答案: vmax = 1.99 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 = √(220/0.8) = 16.58 rad/s

最大速度

vmax = A·ω = 0.12·16.58 = 1.99 m/s

答案

vmax = 1.99 m/s
19.机械振动

答案: ζ = 0.01988

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 = (1/4)·ln(15/9.1) = 0.1249

阻尼比

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0.1249/√(39.48 + 0.01561) = 0.01988

答案

ζ = 0.01988
20.机械振动

答案: keq = 12.63 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 = 1/80 + 1/15 → keq = 80·15/(80 + 15) = 12.63 kN/m

答案

keq = 12.63 kN/m

ExamProblems · examproblems.com/courses/dynamics