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. .
第7讲 力的平衡
(一)
温馨寄语
掌握了基本的力的知识,我们就来继续探索一下物体的平衡需要哪些有关于力的方程来约束。
知识点睛
首先,因为运动分成平动和转动两种,所以平衡也分平动的平衡和转动的平衡两种。平动的平衡就是我们说的受力平衡。转动的平衡就是力矩平衡。
回忆一下初中我们如何处理平衡问题?
二力平衡:两个力大小相等,方向相反,作用在同一直线上
三力平衡(高中):相互平行的三个力,和二力平衡处理起来没有本质区别;如果三力共点,那么可以用力的矢量三角形法则处理。也可以用力的正交分解方法处理。
其中三角形的方法比较需要几何知识,正交分解的方法,比较需要解方程能力。
共点力平衡的正交分解方法:(请思考为什么三力平衡必共点)运用坐标系和力的正交分解可以归纳出静力学一般解题步骤。
①受力分析:对题目中每个个体或者你所选定的系统找出其受的各种力,并且画出受力图。为了防止
漏力,要养成按一般步骤分析的好习惯,一般应先分析重力;然后环绕物体一周,找出跟研究对象接触的物体,并逐个分析这些物体对研究对象的弹力和摩擦力,最后分析其他场力(电场力、磁场力)等。
②根据受力分析得到的力是立直角坐标系,要求需要分解的力越少越好。
③根据直角坐标系对各种力进行正交分解(其中某个方向的力可正可负)。
2Fx?0
④由平衡关系写出 此即最后的静力学方程。
2Fy?0
⑤根据此方程可解出所需要的问题。
正交分解处理受力平衡的技巧:
取正交分解的时候,我们的原则是,建立一个直角坐标系,最好沿着某一方向上,完全没有某个“无关”的力
页脚
. .
例题精讲
【例1】均匀长棒一端搁在地面上,另一端用细线系在天花板上,如图所示,若细线竖直,试分析棒的受力情况。
【解析】 注意这里棒不受摩擦力
【例2】如图三根长度均为l的轻杆用段链连接并固定在水平天花板上的A、B两点,AB两点相距2l,会在段链C上悬挂一个质量为m的重物,要使CD杆保持水平,则在D点上应施加的最小力为多少?
【解析1】受力分析:
解:①对C点进行受力分析.
②对D点进行受力分析.
③对C建立坐标系对力进行正交分析,求T.
2
Tcos30??mg T?
1 2
T?sin30??T
1 2
3mg3
④从D点受力分析可以知道对D点用力最小为T
2
sin60??F
F ?1mg
min 2
【解析2】用力矩解(可以在板块二中讲解)
把ABCD包括重物考虑成一个系统,一共受四个力A点、B点的墙对杆力,C受一个重力,D点一个外力,AC杆、BD杆力都沿杆,则必过一个交点E(如图)则对E点只要C点的重力,和所求的一个外力,要求力矩平衡并且F最小,则F的力臂应最长为DE,则
页脚
. .
FDE?mgCEsin30?
F?mg
2
【例3】 两个质量为M,半径为R的相同圆球A和B,用两根长为l(l?2R)的绳悬挂于O点,在两
球上另有一质量为m(m?nM),半径为r(r?
R)的圆球C,如图,已知三球的表面光滑,
2
试讨论此系统处于平衡时,绳与竖直线的夹角?与n的关系.
【解析】该图对称,可只考虑半边,对A球、C球分析。
①受力分析
A球: C球:
②建立直角坐标系,并受力分解,写出力平衡方程.A球:Tcos??Ncos??Mg
Tsin??nsin?
C球:2Ncos?=mg=nMg
a和?有关联:sina?3R
?2?sin??
4?4n?3n2
且sin?≥1即两球相交
sin? 3R2
∴4?4n?3n2≥1?n≤10?81016(1?n) 9 27
①若n?1.3,系统不能平衡.
?1.3
16(1?n) 3
②n?1.3系统平衡,且此时A、B无作用力
③n?1.3,A:A、B球分开??arcsin
4?4n?3n2
16(1?n)
B:A、B接触,则??arcsin1
3
【例4】 一重为W的匀质球静止于倾角为?
1
面作用于球上的力。
和?的两固定斜面之间,如图,设所有接触面都光滑,求斜
2
【解析】①受力分析.
②建立坐标系,受力分解,写出力平衡方程.
N cos?
1 1
?W?N
2
cos?
2
Nsin?
1 1
?Nsin?.
2 2
2N? Wsin? ? W
2
?1 sin(???) cos??sin?
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