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 = ?s = 2400 m

一架飞机起飞需要 300 km/h 的速度,可用跑道长 2400 m。从静止开始,它需要多大的恒定加速度 a?

v₀ = 0v = 300 km/hs = 2400 m
a = m/s²
2.运动学困难
d = ?

一块石头由静止释放落入井中。释放后 1.9 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 = 1.9 svsound = 343 m/sg = 9.81 m/s²
d = m
3.牛顿定律中等
箱子v₀ = 5.5 m/sμ = ?

一个箱子以 5.5 m/s 的初速度在水平地面上滑动,滑行 5.1 m 后停止。取 g = 9.81 m/s²。求动摩擦因数 μ。

v₀ = 5.5 m/sd = 5.1 mg = 9.81 m/s²
μ =
4.牛顿定律困难
m1​ = 8.5 kg5.5 kgμ = 0.1

水平桌面上一个 8.5 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。 物块与桌面之间的动摩擦因数为 0.1。 取 g = 9.81 m/s²。 求绳中的张力 T。

m1 = 8.5 kgm2 = 5.5 kgμ = 0.1g = 9.81 m/s²
T = N
5.抛体运动中等
v0​ = 20 m/s30°射程H = ?

一个球 从平地上以高于水平面 30° 的角度抛出。忽略空气阻力。求球达到的最大高度 H。

v0 = 20 m/sθ = 30°g = 9.81 m/s²
H = m
6.抛体运动困难
h = 5 mv0​ = 23 m/s20°α = ?

一个球从 5 m 高的悬崖顶部以 23 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 = 23 m/sθ = 20°h = 5 mg = 9.81 m/s²
α = °
7.圆周运动中等
r = 100 mvmax​ = ?

一辆汽车通过半径为 100 m 的水平弯道。轮胎与路面之间的静摩擦因数为 0.4。取 g = 9.81 m/s²。求汽车不打滑地通过弯道的最大速度 vmax。

r = 100 mμs = 0.4g = 9.81 m/s²
vmax = m/s
8.圆周运动困难
r = 0.7 m12 m/svtop​ = ?

一个 2 kg 的球系在长 0.7 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 12 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 = 2 kgr = 0.7 mvbottom = 12 m/sg = 9.81 m/s²
Ttop = N
9.功和能中等
45°d = 19 mμ = 0.1

一个物块由静止沿倾角 45° 的斜面下滑。动摩擦因数为 0.1。求它沿斜面滑行 19 m 后的速度 v。

θ = 45°μ = 0.1d = 19 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
10.功和能困难
h = 1.5 mL = 3.5 mμ = 0.15k = 4000 N/m

一个 2 kg 的物块从光滑坡道上 1.5 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)。 求弹簧的最大压缩量 x。

m = 2 kgh = 1.5 mL = 3.5 mμ = 0.15k = 4000 N/mg = 9.81 m/s²
x = cm
11.动量与碰撞中等
1500 kg16 m/s1700 kg

一辆以 16 m/s 行驶的 1500 kg 汽车撞上一辆静止的 1700 kg 汽车,两车卡在一起。 碰撞中损失了多少动能 ΔK?

m1 = 1500 kgv1 = 16 m/sm2 = 1700 kgv2 = 0
ΔK = J
12.动量与碰撞困难
15 m/s19 m/s

一个 0.15 kg 的小球以 15 m/s 撞到墙上,并以 19 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 = 0.15 kgvin = 15 m/svout = 19 m/sΔt = 5 ms
Favg = N
13.刚体转动中等
v = ?1 kgL = 1.6 mm = 8.5 kg

质量为 8.5 kg、长为 1.6 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 1 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自由端的速度 v。

m = 8.5 kgL = 1.6 mmball = 1 kgg = 9.81 m/s²
v = m/s
14.刚体转动困难
8 m/sω

一个质量为 1 kg 的空心球以 8 m/s 的速度无滑动地滚动。 求它的转动动能 Erot。

m = 1 kgv = 8 m/sI = (2/3)·m·r²
Erot = J
15.齿轮与齿轮系中等
N1​ = 18, m = 3 mm

一台 11 kW、转速 2900 rpm 的电动机驱动一个齿数为 18、模数为 3 mm 的小齿轮。求小齿轮齿上的切向力 Ft。

P = 11 kWn = 2900 rpmN1 = 18m = 3 mm
Ft = N
16.齿轮与齿轮系困难
A = 18B = 24C = 20D = 50

在一个复合轮系中,输入轴上的齿轮 A(18 齿)以 2900 rpm 转动,驱动齿轮 B(24 齿)。齿轮 C(20 齿)与 B 固定在同一根轴上,驱动输出轴上的齿轮 D(50 齿)。求输出转速 nout。

nin = 2900 rpmA = 18B = 24C = 20D = 50
nout = rpm
17.弹簧与单摆中等
L = 1.2 mT = 3.57 s

一名宇航员在另一颗行星上发现,一个长 1.2 m 的单摆在小幅摆动时周期为 3.57 s。求该行星上的重力加速度 g。

L = 1.2 mT = 3.57 s
g = m/s²
18.弹簧与单摆困难
mk = 60 N/mA = 15 cmx = 2 cm

一个连在 k = 60 N/m 弹簧上的物体在无摩擦表面上以 15 cm 的振幅振动。 求它距平衡位置 2 cm 时的动能 K。

k = 60 N/mA = 15 cmx = 2 cm
K = J
19.机械振动中等
tx30 mm3 个周期6.6 mm

在有阻尼质量–弹簧系统的自由振动试验中,位移峰值 30 mm 之后 3 个周期出现峰值 6.6 mm。 求阻尼比 ζ。

x0 = 30 mmx3 = 6.6 mmn = 3
ζ =
20.机械振动困难
k1​ = 15k2​ = 20k3​ = 60m = 5 kg

一个 5 kg 的质量块悬挂在弹簧 k₃ = 60 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 = 15 kN/m 和 k₂ = 20 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 = 15 kN/mk2 = 20 kN/mk3 = 60 kN/m
fn = Hz

3溶液

1.运动学

答案: a = 1.447 m/s²

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

v = 300/3.6 = 83.33 m/s

加速度

a = v²/(2s) = 83.33²/(2·2400) = 1.447 m/s²

答案

a = 1.447 m/s²
2.运动学

答案: d = 16.81 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·(1.9 − t₁)
4.905·t₁² + 343·t₁ − 651.7 = 0

下落时间

只有正根有物理意义。

t₁ = (−343 + √(343² + 4·4.905·651.7))/(2·4.905) = 1.851 s

深度

d = ½·9.81·1.851² = 16.81 m

答案

d = 16.81 m
3.牛顿定律

答案: μ = 0.3023

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

a = v₀²/(2d) = 5.5²/(2·5.1) = 2.966 m/s²

摩擦因数

μ·m·g = m·a → μ = a/g = 2.966/9.81 = 0.3023

答案

μ = 0.3023
4.牛顿定律

答案: T = 36.03 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 − 8.339)/14 = 3.258 m/s²

由桌面上的物块求张力

T − μ·m1·g = m1·a
T = 8.5·3.258 + 8.339 = 36.03 N

答案

T = 36.03 N
5.抛体运动

答案: H = 5.097 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 = 20·cos 30° = 17.32 m/s
vy = v0·sin θ = 20·sin 30° = 10 m/s

最高点

在最高点竖直速度为零:vy² = 2gH。

H = vy²/(2g) = 10²/(2·9.81) = 5.097 m

答案

H = 5.097 m
6.抛体运动

答案: α = 30.34 °

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 = 23·cos 20° = 21.61 m/s
vy0 = 23·sin 20° = 7.866 m/s

落地时的竖直速度

用能量,或在竖直方向用 v² = v₀² + 2as。

vy = √(7.866² + 2·9.81·5) = 12.65 m/s

落地角度

tan α = vy/vx = 12.65/21.61 → α = 30.34°

答案

α = 30.34°
7.圆周运动

答案: vmax = 19.81 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) = √(0.4·9.81·100) = 19.81 m/s

答案

vmax = 19.81 m/s (71.31 km/h)
8.圆周运动

答案: Ttop = 313.3 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 = 12² − 4·9.81·0.7 = 116.5 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 = 2·116.5/0.7 − 2·9.81 = 313.3 N

答案

Ttop = 313.3 N
9.功和能

答案: v = 15.4 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 = √(2·9.81·19·(0.7071 − 0.1·0.7071)) = 15.4 m/s

答案

v = 15.4 m/s
10.功和能

答案: x = 9.78 cm

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·(1.5 − 0.15·3.5) = 19.13 J

最大压缩量

½kx² = 19.13 → x = √(2·19.13/4000) = 0.0978 m = 9.78 cm

答案

x = 9.78 cm
11.动量与碰撞

答案: ΔK = 102000 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) = 1500·16/3200 = 7.5 m/s

碰撞前后的动能

Kbefore = ½·1500·16² = 192000 J
Kafter = ½·3200·7.5² = 90000 J

损失的能量

ΔK = 192000 − 90000 = 102000 J

答案

ΔK = 102000 J

损失的能量转化为形变、热和声音。

12.动量与碰撞

答案: Favg = 1020 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 = 0.15·(19 + 15) = 5.1 N·s

平均作用力

Favg = J/Δt = 5.1/0.005 = 1020 N

答案

Favg = 1020 N
13.刚体转动

答案: v = 6.557 m/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 = 8.5·9.81·0.8 + 1·9.81·1.6 = 82.4 J

对销钉的转动惯量

IO = m·L²/3 + mball·L² = 7.253 + 2.56 = 9.813 kg·m²

能量衡算

½·IO·ω² = 82.4 → ω = √(2·82.4/9.813) = 4.098 rad/s
v = ω·L = 4.098·1.6 = 6.557 m/s

答案

v = 6.557 m/s
14.刚体转动

答案: Erot = 21.33 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 = ½·1·8² = 32 J
Erot = ½·I·ω² = ½·0.6667·m·r²·(v/r)² = 0.6667·32 = 21.33 J

答案

Erot = 21.33 J
15.齿轮与齿轮系

答案: Ft = 1342 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 = 11000/303.7 = 36.22 N·m

分度圆直径

d = m·N = 3·18 = 54 mm

切向力

Ft = 2T/d = 2·36.22/0.054 = 1342 N

答案

Ft = 1342 N
16.齿轮与齿轮系

答案: nout = 870 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 = 2900·18/24 = 2175 rpm = nC

第二级

nout = 2175·20/50 = 870 rpm

答案

nout = 870 rpm

总传动比 = 3.333 : 1

17.弹簧与单摆

答案: g = 3.717 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 = 4π²·1.2/3.57² = 3.717 m/s²

答案

g = 3.717 m/s²
18.弹簧与单摆

答案: K = 0.663 J

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.

总能量

E = ½·k·A² = ½·60·0.15² = 0.675 J

x 处的弹簧能量

U = ½·k·x² = ½·60·0.02² = 0.012 J

动能

K = 0.675 − 0.012 = 0.663 J

答案

K = 0.663 J
19.机械振动

答案: ζ = 0.08007

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 = (1/3)·ln(30/6.6) = 0.5047

阻尼比

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0.5047/√(39.48 + 0.2547) = 0.08007

答案

ζ = 0.08007
20.机械振动

答案: fn = 10.58 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 = 15 + 20 = 35 kN/m
keq = 35·60/(35 + 60) = 22.11 kN/m

固有频率

ωn = √(22105/5) = 66.49 rad/s
fn = 66.49/(2π) = 10.58 Hz

答案

fn = 10.58 Hz

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