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 s25

一位以 90 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 8 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 = 90 km/htr = 1.5 sa = −8 m/s²
d = m
2.运动学困难
v₀ = 10 m/s20 m

从离地面 20 m 高的屋顶边缘以 10 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。 抛出后多长时间小球落地?求 t。

v₀ = 10 m/sh₀ = 20 mg = 9.81 m/s²
t = s
3.牛顿定律中等
θ = 20°a = ?m = 17 kg

一个 17 kg 的物块沿倾角为 20° 的斜面下滑。动摩擦因数为 0.15。 取 g = 9.81 m/s²。求物块沿斜面的加速度 a。

m = 17 kgθ = 20°μ = 0.15g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.牛顿定律困难
m1​ = 1 kg2 kgθ = 40°

倾角为 40° 的斜面上有一个 1 kg 的物块,它通过一根跨过斜面顶端无摩擦滑轮的轻绳与一个悬挂的 2 kg 物体相连。悬挂物向下运动。 物块与斜面之间的动摩擦因数为 0.15。 取 g = 9.81 m/s²。 求系统的加速度 a。

m1 = 1 kgm2 = 2 kgθ = 40°μ = 0.15g = 9.81 m/s²
a = m/s²
5.抛体运动中等
v0​ = 16 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 = 16 m/sθ = 30°g = 9.81 m/s²
H = m
6.抛体运动困难
24 mv0​ = 36 m/s50°x = ?

一个球从地面以 36 m/s、与水平方向成 50° 的角度抛出。它在下落途中落在一栋 24 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 = 36 m/sθ = 50°hroof = 24 mg = 9.81 m/s²
x = m
7.圆周运动中等
r = 145 mvmax​ = ?

一辆汽车通过半径为 145 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 = 145 mμs = 0.3g = 9.81 m/s²
vmax = m/s
8.圆周运动困难
r = 1.4 m11 m/svtop​ = ?

一个 1.1 kg 的球系在长 1.4 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 11 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 = 1.1 kgr = 1.4 mvbottom = 11 m/sg = 9.81 m/s²
Ttop = N
9.功和能中等
0.25 kgk = 1500 N/mh = ?

一个玩具发射器有一根刚度为 1500 N/m 的竖直弹簧。把一个 0.25 kg 的球放在上面,将弹簧压缩 5 cm,然后释放。忽略空气阻力和弹簧质量,求球上升的高度 h,从弹簧压缩时球的位置量起。

m = 0.25 kgk = 1500 N/mx = 5 cmg = 9.81 m/s²
h = m
10.功和能困难
h = 2.5 mL = 5 mμ = 0.3k = 4000 N/m

一个 2 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 = 0.3),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 = 2.5 mL = 5 mμ = 0.3k = 4000 N/mg = 9.81 m/s²
v = m/s
11.动量与碰撞中等
3.5 kg9 m/s2 kg

在无摩擦的导轨上,一个以 9 m/s 运动的 3.5 kg 滑块与一个静止的 2 kg 滑块发生完全弹性的正碰。 求碰撞后第一个滑块的速度 v′1(以其原运动方向为正)。

m1 = 3.5 kgm2 = 2 kgv1 = 9 m/sv2 = 0
v′1 = m/s
12.动量与碰撞困难
11 m/s11 m/s

一个 0.15 kg 的小球以 11 m/s 撞到墙上,并以 11 m/s 沿原路弹回。接触时间为 10 ms。 求墙对小球的平均作用力 Favg。

m = 0.15 kgvin = 11 m/svout = 11 m/sΔt = 10 ms
Favg = N
13.刚体转动中等
2 kgaαM = 10.5 kgR = 0.3 m

一个 2 kg 的物块悬挂在绕过滑轮的轻绳上,滑轮是质量为 10.5 kg、半径为 0.3 m 的均匀实心圆盘,在无摩擦的水平轴上转动。物块从静止释放。取 g = 9.81 m/s²。 求物块的加速度 a。

m = 2 kgM = 10.5 kgR = 0.3 mg = 9.81 m/s²
a = m/s²
14.刚体转动困难
θ = 35°vs = 5 m

一个薄圆环从静止开始,沿与水平面成 35° 的斜面无滑动地滚下。取 g = 9.81 m/s²。 它的半径为 0.35 m。求它沿斜面滚过 5 m 后的角速度 ω。

θ = 35°s = 5 mI = m·r²g = 9.81 m/s²r = 0.35 m
ω = rad/s
15.齿轮与齿轮系中等
N1​ = ?N2​

两根平行轴相距 72 mm。须用一对模数为 3 mm、减速比为 2 : 1 的直齿圆柱齿轮把它们连接起来。 小齿轮须有多少个齿 N1?

a = 72 mmm = 3 mmi = 2
N1 =
16.齿轮与齿轮系困难
A = 12B = 60C = 36D = ?

在一个复合轮系中,输入轴上的齿轮 A(12 齿)以 1450 rpm 转动,驱动齿轮 B(60 齿)。齿轮 C(36 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 208.8 rpm 转动。齿轮 D 须有多少个齿 ND?

nin = 1450 rpmA = 12B = 60C = 36nout = 208.8 rpm
ND =
17.弹簧与单摆中等
L = 0.2 m

一个单摆的摆长为 0.2 m。取 g = 9.81 m/s²。求小角度摆动时的周期 T。

L = 0.2 mg = 9.81 m/s²
T = s
18.弹簧与单摆困难
3.3 kgk = 100 N/mA = 2 cm

一个 3.3 kg 的物体连在 k = 100 N/m 的弹簧上,从平衡位置拉开 2 cm 后释放。 求振动的总能量 E。

m = 3.3 kgk = 100 N/mA = 2 cm
E = J
19.机械振动中等
tx15 mm4 个周期5.5 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 5.5 mm。 求阻尼比 ζ。

x0 = 15 mmx4 = 5.5 mmn = 4
ζ =
20.机械振动困难
k1​ = 80k2​ = 50m = 10 kg

一个 10 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 = 50 kN/m。 求弹簧系统的等效刚度 keq,以 kN/m 计。

m = 10 kgk1 = 80 kN/mk2 = 50 kN/m
keq = kN/m

3溶液

1.运动学

答案: d = 76.56 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 = 90/3.6 = 25 m/s

反应距离

d1 = v₀·tr = 25·1.5 = 37.5 m

制动距离

d2 = v₀²/(2a) = 25²/(2·8) = 39.06 m

合计

d = 37.5 + 39.06 = 76.56 m

答案

d = 76.56 m
2.运动学

答案: t = 3.281 s

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。

运动方程

向上为正,地面在出发点下方 h₀ 处。

−20 = 10·t − ½·9.81·t²
4.905·t² − 10·t − 20 = 0

解一元二次方程

只有正根有物理意义。

t = (10 + √(10² + 2·9.81·20))/9.81 = 3.281 s

答案

t = 3.281 s
3.牛顿定律

答案: a = 1.972 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° − 0.15·cos 20°) = 9.81·(0.342 − 0.141) = 1.972 m/s²

答案

a = 1.972 m/s²
4.牛顿定律

答案: a = 4.062 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.

沿绳子方向的力

m₂·g = 19.62 N
m₁·g·sin θ = 6.306 N
μ·m₁·g·cos θ = 1.127 N

系统的加速度

a = (19.62 − 6.306 − 1.127)/3 = 4.062 m/s²

答案

a = 4.062 m/s²
5.抛体运动

答案: H = 3.262 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 = 16·cos 30° = 13.86 m/s
vy = v0·sin θ = 16·sin 30° = 8 m/s

最高点

在最高点竖直速度为零:vy² = 2gH。

H = vy²/(2g) = 8²/(2·9.81) = 3.262 m

答案

H = 3.262 m
6.抛体运动

答案: x = 105.2 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 = 23.14 m/s, vy = 27.58 m/s

落到屋顶的时间

较大的根:球正在下降。

24 = 27.58·t − 4.905·t²
t = (27.58 + √(27.58² − 2·9.81·24))/9.81 = 4.546 s

水平距离

x = vx·t = 23.14·4.546 = 105.2 m

答案

x = 105.2 m
7.圆周运动

答案: vmax = 20.66 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) = √(0.3·9.81·145) = 20.66 m/s

答案

vmax = 20.66 m/s (74.37 km/h)
8.圆周运动

答案: Ttop = 41.12 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 = 11² − 4·9.81·1.4 = 66.06 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 = 1.1·66.06/1.4 − 1.1·9.81 = 41.12 N

答案

Ttop = 41.12 N
9.功和能

答案: h = 0.7645 m

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)。

弹簧能量

x = 5 cm = 0.05 m
½kx² = ½·1500·0.05² = 1.875 J

高度

m·g = 0.25·9.81 = 2.453 N
h = ½kx²/(mg) = 1.875/2.453 = 0.7645 m

答案

h = 0.7645 m
10.功和能

答案: v = 4.429 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·(2.5 − 0.3·5) = 19.62 J

到达弹簧时的速度

½mv² = mg(h − μL) → v = √(2g(h − μL)) = √(2·9.81·1) = 4.429 m/s

答案

v = 4.429 m/s
11.动量与碰撞

答案: v′1 = 2.455 m/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。

与静止物体的弹性碰撞

联立动量守恒和能量守恒即可得到这两个结果。

v′1 = (3.5 − 2)/(3.5 + 2)·9 = 2.455 m/s
v′2 = 2·3.5/(3.5 + 2)·9 = 11.45 m/s

答案

v′1 = 2.455 m/s
12.动量与碰撞

答案: Favg = 330 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·(11 + 11) = 3.3 N·s

平均作用力

Favg = J/Δt = 3.3/0.01 = 330 N

答案

Favg = 330 N
13.刚体转动

答案: a = 2.706 m/s²

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.

物块和滑轮

物块: m·g − T = m·a
滑轮: T·R = I·α = ½·M·R²·(a/R) → T = ½·M·a

加速度

a = m·g/(m + M/2) = 2·9.81/(2 + 5.25) = 2.706 m/s²

答案

a = 2.706 m/s²
14.刚体转动

答案: ω = 15.15 rad/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.

下降的高度

h = s·sin θ = 5·sin 35° = 2.868 m

滚动时的能量平衡

无滑动滚动:ω = v/r,接触点处的摩擦力不做功。

m·g·h = ½·m·v²·(1 + 1)
v = √(2·9.81·2.868/2) = 5.304 m/s
ω = v/r = 5.304/0.35 = 15.15 rad/s

答案

ω = 15.15 rad/s
15.齿轮与齿轮系

答案: N1 = 16

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.

总齿数

N1 + N2 = 2a/m = 2·72/3 = 48

按传动比分配

N1 = 48/(1 + 2) = 16

答案

N1 = 16
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 = 1450·12/60 = 290 rpm

齿轮 D 的齿数

ND = C·nC/nout = 36·290/208.8 = 50

答案

ND = 50
17.弹簧与单摆

答案: T = 0.8971 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·√(0.2/9.81) = 0.8971 s

答案

T = 0.8971 s
18.弹簧与单摆

答案: E = 0.02 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 = √(100/3.3) = 5.505 rad/s

能量

E = ½·k·A² = ½·100·0.02² = 0.02 J

答案

E = 0.02 J
19.机械振动

答案: ζ = 0.03989

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(15/5.5) = 0.2508

阻尼比

ζ = δ/√(4π² + δ²) = 0.2508/√(39.48 + 0.06291) = 0.03989

答案

ζ = 0.03989
20.机械振动

答案: keq = 30.77 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 + 1/50 → keq = 80·50/(80 + 50) = 30.77 kN/m

答案

keq = 30.77 kN/m

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