本期物理奥赛题我们来一起探究摩擦角在物理奥赛题目中的应用,摩擦角
当物体处于滑动的临界状态时静摩擦力达到最大值,此时静摩擦力与支持力的夹角也最大此时的夹角称为摩擦角。由受力分析不难发现摩擦角的正切值等于摩擦力与支持力的比,也就是动动摩擦因数和正切值因此,当物体恰好能从粗糙斜面上匀速下滑时斜面的倾角也就等于摩擦角
看似摩擦角只能分析运动中的物体,实际并不是这样的由于物体刚开始运動时,也就是静止状态的临界位置时物体所受的最大静摩擦力约等于动摩擦力(稍大),有时在分析一个物体运动的临界状态时摩擦角也能起到关键的作用。
在本题目中摩擦角的应用就处在线筒濒临转动的瞬间,其所受的摩擦力应该为最大静摩擦力可以约等于动摩擦力,方便进行下一步分析解答
由上述摩擦角的定义,不难知道第一个方程也就是摩擦角的定义,即:动动摩擦因数和正切值=摩擦角嘚正切值=摩擦力与支持力的比
第二、三个方程都是利用几何关系得出的,即在两个直角三角形中通过公共边OC完成墙面夹角与摩擦角的關系。
最后联立方程就得到了墙面夹角的关系。
由于力的适量性所有的力都是作用在线筒上面的,因此将所有的力的作用点都认为在線筒的中心处画出受力分析图,如图2所示其中为了简化分析过程,方便列出方程将力正交分解,就得到了第一、二个方程
由于线筒保持平衡,因此其所受的合力应该为0即在两个正交方向上都为0。因此拉力的水平方向分力与支持力平衡。拉力的竖直方向分力和摩擦力的合力与重力平衡最终列出方程一和方程二。解方程可知由于存在三个未知数,只有两个方程因此解出支持力与墙面夹角的关系,即第一的解得的式子
为了解出支持力和墙面夹角的值,就还需要一个方程分析图1,对于线筒摩擦力、支持力、重力、拉力均有力矩且上式与拉力无关,即需要给出重力、摩擦力和支持力之间的函数关系故考虑整体以B点为转轴转动,列出平衡条件方程结合上式,最总解出答案
此题的难点在于熟练使用摩擦角解决问题,能够考虑到摩擦角能够解答该问题这就需要长期坚持的不断使用摩擦角解決普通问题,这样才能够运用熟练如果长期解题只应用受力分析解决问题,虽然在此题目中能够解答但是耗费较长时间,得不偿失洇此建议使用摩擦角解题,并加强训练这样才能够在物理竞赛过程中运用的游刃有余。
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