静力学摩擦
静力学-摩擦
a tanα≤ l
) fs(e)
tan α ≤ fs
α ≤ φf
式中φ 为梯子与地板间的摩擦角。 式中φf 为梯子与地板间的摩擦角。
A
长为L的均质梯子靠在光滑 例:重为W长为 的均质梯子靠在光滑 重为 长为
C D
θ
的墙壁上( 的墙壁上(夹角为θ ), 它与地面的静
F
B
W
F A
A
滑动摩擦因数为 f , 梯子上作用一水 平力F, 平力 ,BD = a,求维持平衡时的F。 ,求维持平衡时的F 解:取梯子为研究对象, 画受力图 取梯子为研究对象, L ∑MP = 0 : − Fs Lcosθ − F(L − a) cosθ +W 2 sinθ = 0 ∑ Fy = 0, FB − W = 0
4
当物块的滑动趋势方向改变时,全约束反力作用线的方位也 随之改变;在临界状态下,FR 的作用线将画出一个以接触点A 为顶点的锥面,称为摩擦锥。设物块与支承面间沿任何方向的 摩擦系数都相同,即摩擦角都相等,则摩擦锥将是一个顶角为 2ϕf的圆锥。
5
ϕmax
ϕ max
ϕ max
FR
ϕ
FN
P
P
Fmax
0 ≤ ϕ ≤ ϕmax
13
当物块处于向上滑动的临界平衡状态时, 当物块处于向上滑动的临界平衡状态时, 受力如图,建立如图坐标。 受力如图,建立如图坐标。
r Qmax
y
r F2 max
x
∑ X = 0 : Qmax cos α − F2 max − P sin α = 0
r P
r N2
∑ Y = 0 : −Qmax sin α + N 2 − P cos α = 0
摩擦力及受力分析
摩擦力及受力分析摩擦力是两个物体接触表面之间存在的力,它的大小和方向取决于两个接触面之间的相互作用。
摩擦力是由于两个表面之间的不规则性和分子间的吸引力导致的。
在讨论摩擦力时,我们通常关注静摩擦力和动摩擦力。
静摩擦力是指当一个物体试图相对于另一个物体滑动时,两个物体之间的摩擦力。
静摩擦力的大小和方向与试图滑动的物体之间的力的大小和方向相等且相反。
当试图滑动的物体的力小于静摩擦力时,物体将保持静止。
静摩擦力的大小可以由以下公式计算:静摩擦力=静摩擦系数×垂直于接触面的力摩擦系数是一个无单位的常数,取决于两个表面的性质。
当两个表面之间的粗糙程度增加时,静摩擦力也相应增加。
动摩擦力是当两个表面相对滑动时的摩擦力。
与静摩擦力不同,动摩擦力与滑动物体的速度成正比。
动摩擦力的大小可以由以下公式计算:动摩擦力=动摩擦系数×垂直于接触面的力摩擦力对许多现象和应用至关重要。
它可以帮助我们解释物体的停车距离、滑动和牵引等问题。
我们经常遇到一些情况,需要进行受力分析。
受力分析是根据物体所受到的外力以及与其他物体之间的相互作用,研究物体所受的各个力以及这些力的性质和作用的方法。
受力分析可以分为静力学和动力学两个方面。
静力学研究物体处于平衡状态下所受的力以及力的性质和作用,而动力学研究物体在运动状态下所受的力以及力对运动的影响。
受力分析通常需要通过自由体图来描述和分析物体所受的力。
自由体图是指将物体从其他物体或支点中分离出来,以观察物体所受的所有外力,并使其处于平衡或运动状态。
自由体图包括画出物体本身和所有作用在物体上的力的箭头表示。
在受力分析中,我们需要注意以下几点:1.保持力的平衡:根据牛顿第三定律,相互作用的两个物体之间的力是相等且相反的。
因此,当我们在自由体图中画出力的箭头时,我们需要确保力的矢量的和为零,以保持物体处于平衡状态。
2.选取适当的坐标轴:坐标轴的选择应根据问题的特点来确定。
通常选择物体所受的外力的方向为坐标轴方向,以简化力的计算和分析。
静力学中的摩擦力与平衡条件
静力学中的摩擦力与平衡条件在我们日常生活和工程实践中,静力学的知识无处不在。
而摩擦力与平衡条件作为静力学中的重要概念,对于理解物体的静止状态和受力情况起着关键作用。
首先,咱们来聊聊什么是摩擦力。
简单来说,摩擦力就是当两个物体相互接触并试图相对运动时产生的阻碍这种相对运动的力。
摩擦力可以分为静摩擦力和动摩擦力。
静摩擦力是在物体还没有开始相对运动时产生的,它的大小会随着外力的增加而增加,直到达到一个最大值,这个最大值被称为最大静摩擦力。
而动摩擦力则是在物体已经开始相对运动时产生的,它的大小通常相对稳定,与接触表面的性质以及压力有关。
想象一下,你把一个重物放在水平地面上,如果不去推它,它就会稳稳地待在那里,这就是静摩擦力在起作用。
此时的静摩擦力与物体所受到的其他水平力(比如重力的水平分力)相互平衡,使得物体保持静止。
而当你逐渐加大推力,直到超过最大静摩擦力,物体就会开始滑动,这时候的摩擦力就变成了动摩擦力。
那平衡条件又是什么呢?平衡条件指的是物体在受到多个力的作用下,保持静止或者匀速直线运动的状态所需要满足的条件。
在二维平面中,如果一个物体处于平衡状态,那么它所受到的合力在水平方向和垂直方向上都应该为零。
也就是说,水平方向上所有力的代数和为零,垂直方向上所有力的代数和也为零。
比如说,有一个悬挂在天花板上的吊灯,它受到了向下的重力和绳子向上的拉力。
在垂直方向上,重力和拉力大小相等、方向相反,合力为零,所以吊灯能够保持静止,满足平衡条件。
在实际情况中,摩擦力和平衡条件常常是同时起作用的。
举个例子,一个放在斜面上的物体,如果要保持静止,那么重力沿着斜面方向的分力就需要被摩擦力所平衡。
如果斜面的倾斜角度逐渐增大,重力沿斜面方向的分力也会增大,而摩擦力也会相应增大,直到达到最大静摩擦力。
如果斜面角度继续增大,超过了某个临界值,最大静摩擦力无法再平衡重力的分力,物体就会开始下滑。
在工程领域,摩擦力与平衡条件的应用非常广泛。
用摩擦角巧解静力学问题
用摩擦角巧解静力学问题摘要:在高中物理竞赛中常遇到静力学问题,计算量比较大,将常规方法与应用摩擦角和全反力解题进行比较,便体现应用摩擦角解题的优势。
关键词:摩擦角;全反力;物体的平衡什么是摩擦角?当两物体相互接触,如图1,接触面之间有摩擦时,支持面对物体具有支持力N和摩擦力f的作用,这两个力的合力称为全反力,其作用线与支持面的垂线即支持力的作用线之间形成的偏角为?渍,当达到临界平衡状态时,静摩擦力达到最大值,偏角j也达到了最大值?渍m,如图2所示,全反力与支持力之间夹角的最大值被称为摩擦角,由图可知tan ?渍m== μ,?渍m 与μ表明物体之间的摩擦性质。
由摩擦角的定义可以知道,全反力的作用线不可能超出摩擦角之外,必在摩擦角之内。
因此,一定存在0≤?渍≤?渍m 。
下面通过例题来说明全反力和摩擦角在解决静力学问题中的优势。
例题:如图3所示,质量为m的物体恰好能在倾角为α的固定斜面上匀速下滑,如在物体上施加一个力使物体沿斜面匀速上滑,为了使力取得最小值,这个力与斜面的倾斜角为多大?这个力的最小值是多少?解:物理情境I:由物体恰好能在斜面上匀速下滑,受力分析如图4,列方程mg sin a =μmg cos α可得μ= tan α。
物理情境II:对物体施加力F,使物体沿斜面匀速上滑,求F的最小值,可有两种方法。
方法一:数学极值法:受力分析如图5所示,设力F与斜面之间的夹角为θ,因为物体是匀速运动,处于平衡状态,物体所受的合外力为0。
列平衡方程如下:沿斜面方向:F cos θ= mg sin α+f①垂直于斜面:F sin θ+N = mg cos α②f= μN③由①、②、③得:F = mg 要使F取最小值,只要使表达式取最大值,该表达式可以表示为:cos θ+μsin θ= sin (?渍+θ)④其中取sin ?渍= ,cos ?渍=由④式可得,当时sin(?渍+θ)=1时,即?渍+θ= 90°时,F为最小,此时tan ?渍= ,?渍= arctan,即:当θ= 90°-?渍= arctan μ=α时,F具有最小值,其最小值为:F=mgsin(θ+α)=mgsin2a,F= mg =(sin αsin ?渍+ cos αcos ?渍)mg =2 sin αcos ?渍mg = mg sin 2α。
静力学:第5章:摩擦
静摩擦力(未达极限值时),可象一般约束力那样 假设其方向,而由最终结果的正负号来判定假设的 方向是否正确。
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5.3 考虑摩擦的平衡问题 例5-1 图表示颚式破碎机,已 知颚板与被破碎石料的静摩擦 系数f=0.3,试确定正常工作的 箝制角α 的大小。(不计滚动 摩擦)
例题
解:为简化计算,将石块看成球形,并略去其自重。 根据破碎机正常工作时岩石应不被挤压滑出颚板的 条件,用几何法求解,岩石只在两处受力,此两力 使岩石维持平衡必须共线,按自锁条件它们与半径 间的最大角度应为ϕm。
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5.2 摩擦角和自锁现象
5.2.3 摩擦角在工程中应用
静摩擦系数的测定
f = tanϕm = tanα
把要测定的两个物体的材料分别做成可绕O轴转 动的平板OA和物块B,并使接触表面的情况符 合预定的要求。当α角较小时,由于存在摩擦, 物体B在斜面上保持静止,逐渐增大倾角,直到 物块刚开始下滑时为止,此时α=ϕm 。
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5.2 摩擦角和自锁现象
5.2.3 摩擦角在工程中应用
螺旋千斤顶的自锁条件
螺纹的自锁条件是使螺纹的升角α m小于或等于 摩擦角ϕ m。α≤ϕ m
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5.3 考虑摩擦的平衡问题 静摩擦力的大小在零与极限值Fmax之间变化,因而相 应地物体平衡位置或所受的力也有一个范围。 极限摩擦力(或动摩擦力、滚动摩擦力)的方向总是 与相对滑动或滚动趋势的方向相反,不可任意假定。
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静力学第6章 摩擦
假设D处先达到临界滑动状态,分别取杆、轮为研究对象
北京交通大学力学系
考虑摩擦时的平衡问题
假设D处先达到临界滑动状态,分别取杆、轮为研究对象
第6章 摩擦
M A (F ) 0
FNC
M O (F ) 0
FC' r FD r 0
l FB l 0 2
FNC 100 N
0.15FND FD FC
F2 fs FN2
sin f s cos G cos f s sin
y
补充方程
Fmax
北京交通大学力学系
考虑摩擦时的平衡问题
第6章 摩擦
例2 鼓轮B重500N,放在墙角里。已知鼓轮与水平地板间的 摩擦系数为0.25,而铅直墙壁假定是绝对光滑的,鼓轮上的绳 索下端挂着重物。设半径R=200mm,r=100mm。求平衡时重 物A的最大重量P。
补充方程
Fmin
sin f s cos G cos f s sin
北京交通大学力学系
考虑摩擦时的平衡问题
第6章 摩擦
例1 已知 、f、块重G。求平衡时F力的作用范围。
解: (2)F 较大时,物块有上滑趋势,摩擦力向下
F F
x
0 Fmax cos G sin F2 0 0 Fmax sin G cos FN2 0
静摩擦与滑动摩擦
第6章 摩擦
2、静滑动摩擦定律
静滑动摩擦力与接触面积无关; 静滑动摩擦力由平衡方程给出 (摩擦定律仅给出极限数值的大小)
FSmax FN fs
滑动摩擦力的极值 静止状态 临界状态 运动状态 FS=F F max;大小由平衡方程确定
理论力学静力学部分第四章摩擦
FNB
FSB
F S A F S A m a S F x N A F S B F S B m a S F x N B
联立上面的平衡方程得到
d
l b/(2S) 经判断:
l b/(2S)
bHale Waihona Puke b b第4章 摩擦
[解 – 方法 2]
利用摩擦角
临界状态的全反力
l
W
d
A FRA
l
jm
B FRB
jm
d
W
y
Fx 0 F S W s3 i n 0 F c3 o 0 s0
FN
F
FS A
W
x
Fy 0 F N W c3 o 0 s F s3 i n 0 0
FS
3F1W16N 7 22
FN
3W1F128N9 22
FSmax SFN 12809.2258FN S FSmax
摩擦力计算的结果是合理的,并且其方向与受力分析图上的方 向相同。
须根据物体的运动趋势正确判断摩擦力的方向。
第4章 摩擦
例题 1
W120N0 F500N a30
F
A
1.如果物体保持静, 止平衡
计算摩擦力的大向 小。 和方
aW
μs 0.2 2.如果μS 0.1则 , 上面计算的结合 果理 是? 否为什么?
第4章 摩擦 [解]
F
A
aW
假设物体有向下运动的趋势,则画出其受力分析图:
第4章 摩擦 自锁
a jm
FR
FRy
a
FRxFRsina
aj F Sm F N aS x F R co ta s m n
aj aa F R c o ta m s n F R c o ta sn
静力学摩擦与摩擦力
r fs
滚阻因数
摩擦与摩擦力/滚动摩擦
考虑滚动临界态 M f M m M m FN
简化中 心A Ff FN Mm
简化中心B
简化中心B
F f FN
M sFN
s
Ff FN M 0
M m FN
滚阻因数量纲为长度单位
物理意义是将摩擦力简化为合力时简化中心点到 A的距离
与接触物体的性质有关
G
F
n
Fix 0
i1 n
Fiy 0
i1
附加方程
Fmin cosq Fm G sinq 0 Fmin sinq FN G cosq 0 Fm fs FN
Fmin
sinq fs cosq cosq fs sinq
135.31N
Fmin q Fm
q
G
x FN
静不定?
工况2 临界态平衡问题
摩擦与摩擦力/滚动摩擦
平衡态
F
Ff Mf
Ff F M f Fr
滑动临界态 F Fm
滚动临界态 F Mm r
Fm
F
Mm r
Ff Fm Fm fs FN
M f M m M m FN
滑动
G
F
O A
Ff
Mf
FN
FR
极限滚阻力偶矩
滚阻因数
Mm r
F
Fm
Fm
F
Mm r
F
纯滚动 又滚又滑
通常
q
m
临界态
FN
Fmax G tan(q m ) 400 tan(30 11.31 ) 351.53N
当 135.31N < F <351.53N 物体静止
摩擦力与静力学力的平衡与运动状态的探索
摩擦力与静力学力的平衡与运动状态的探索摩擦力与静力学力是物体在运动中产生的两种相互作用力。
在许多日常生活和工业应用中,我们常常会遇到需要平衡这两种力以保持物体的稳定性或实现预期动作的情况。
本文将探讨摩擦力与静力学力之间的关系以及它们对物体的运动状态产生的影响和调节。
摩擦力是两个物体之间接触表面上产生的力,它的存在常常导致物体在运动过程中减速或停止。
摩擦力的大小与物体之间的接触面积、摩擦系数及施加在物体上的力的大小相关。
静力学力是物体受力平衡时的力,它包括对物体施加的垂直向下的重力以及垂直向上的支持力或正压力。
在静止状态下,当物体受到外力施加时,通过调节施加力的大小,我们可以平衡静力学力和摩擦力,使物体保持静止。
这种平衡的状态被称为静态平衡。
例如,当我们将书放在桌子上时,重力向下作用于书籍,而桌子提供的支持力向上抵消了重力。
此时,摩擦力阻碍了书籍下滑的运动,因此我们感觉到书籍是静止的。
然而,在某些情况下,当外力超过摩擦力和静力学力之和时,物体将开始运动。
这种平衡的状态被称为动态平衡。
例如,当我们推动一辆停放的自行车,刚开始由于摩擦力的作用,我们需要施加更大的外力才能克服静力学力和摩擦力。
一旦自行车开始运动,摩擦力的大小将减小,并且我们只需要施加相对较小的力来保持运动状态。
此外,摩擦力和静力学力也会对物体的运动状态产生影响。
在某些情况下,摩擦力可以使物体保持在平衡位置上,阻止其滑动或滚动。
例如,当我们将一个能滑动的方块放在斜坡上时,由于摩擦力的存在,方块将保持在原地不滑下斜坡。
这种摩擦力称为静摩擦力。
只有当我们施加足够大的外力超过静摩擦力时,这个方块才会开始滑动。
然而,在某些其他情况下,摩擦力会使物体产生运动,例如当我们将一个已经运动的方块推动到斜坡上时,摩擦力将加速方块下滑的速度。
这种摩擦力被称为动摩擦力。
在这种情况下,摩擦力不再是平衡物体的力,而是加速或减缓物体运动的力。
总的来说,摩擦力和静力学力之间的平衡与物体的运动状态密切相关。
静力学2.6摩擦与摩擦力2010.
F
G
Ff F
m G
Fm
F1 F2
平衡态
tan m
Fm FN
fs
F2 (F , G) F1 (Ff , FN )
FN
f
F1
FN
m
F1
两力共线,方向相反
F1 F2
tan f
Ff FN
Ff Fm f m
• 摩檫角
临界态
F2 (F , G)
F1 (Fm , FN )
F2
G
F
Fm
两力共线,方向相反
F1 F2
理想约束力与极限摩擦力的合力和接触面法
线的夹角称为摩擦角 m
FN
m
F1
tan m
Fm FN
fs
Fm fs FN
摩擦角m的正切等于静摩檫因数
q Fm
q m FN
为了平衡,加水平力,其与重力的合力落在三角形内
临界态
Fmin G tan(q m ) 400 tan(30 11.31 ) 135.31N
2019年9月6日 22
理论力学CAI 静力学
摩擦与摩擦力/滑动摩擦/干摩擦/解
工况2
F2
F2
G
摩擦角
y
G
C
q
q
x
Ff A A
B Ff B
FN A FC FN B
2019年9月6日 理论力学CAI 静力学
Ff B
FN B
q28FB
静力学中的摩擦力与平衡条件
静力学中的摩擦力与平衡条件在我们日常生活和工程领域中,静力学的知识无处不在。
而其中,摩擦力与平衡条件是两个至关重要的概念,它们对于理解物体的静止状态和运动趋势起着关键作用。
首先,让我们来聊聊摩擦力。
简单来说,摩擦力就是当两个物体相互接触并试图相对运动时产生的阻碍这种相对运动的力。
摩擦力的大小和方向取决于多种因素。
摩擦力分为静摩擦力和动摩擦力。
静摩擦力是指物体还没有开始相对运动时所受到的摩擦力。
它的大小会随着外力的增大而增大,直到达到一个最大值,这个最大值被称为最大静摩擦力。
比如,当我们试图推动一个放在地面上的重物时,如果施加的力较小,重物不会移动,此时物体受到的就是静摩擦力,而且这个静摩擦力的大小与我们施加的力相等,方向相反,从而使物体保持静止。
只有当我们施加的力超过了最大静摩擦力,物体才会开始运动。
动摩擦力则是物体在相对运动时所受到的摩擦力,它的大小通常比最大静摩擦力要小,而且相对稳定。
例如,一个在桌面上滑动的木块,所受到的就是动摩擦力。
那么,摩擦力的大小到底是由什么决定的呢?这主要取决于接触面的粗糙程度、物体之间的压力大小以及材料的性质等。
接触面越粗糙,摩擦力往往越大;物体之间的压力越大,摩擦力也会相应增大。
接下来,我们谈谈平衡条件。
平衡条件是指物体在静止或者匀速直线运动状态下所满足的条件。
在静力学中,一个物体要处于平衡状态,必须满足两个条件:合力为零和合力矩为零。
合力为零意味着物体所受到的所有力在水平和垂直方向上的分力之和都必须为零。
比如说,一个放在水平地面上的箱子,受到重力竖直向下,地面的支持力竖直向上,这两个力大小相等、方向相反,合力为零。
如果还有水平方向的拉力或者推力,那么这些力在水平方向上的合力也必须为零,箱子才能保持静止。
合力矩为零则是指对于任何一个点,物体所受到的所有力产生的力矩之和为零。
力矩可以理解为力使物体绕某一点转动的效果。
如果物体受到的力矩不平衡,就会产生转动。
在实际问题中,我们经常需要综合考虑摩擦力和平衡条件来分析物体的状态。
静力学摩擦概念、性质和平衡问题
§4–1 滑动摩擦的概念
摩擦的分类
(2) 按二物体接触点(面)之间有无相对速度分类
动(滑动)摩擦:已发生相对滑动的物体间的摩擦。 静(滑动)摩擦:仅出现相对滑动趋势而未发生运动
时的摩擦。
§4–2 滑动摩擦的性质
静摩擦力的性质 静摩擦力极限摩擦定律 动摩擦定律 摩擦角、摩擦锥、自锁
向反作用力 FN 成正比。
即: Fmax=fs FN fs : 静摩擦因数
3. 动摩擦定律 动摩擦力Fd与物体对支承面的正压力或法向反作
用力FN 成正比。
即: Fd =fd FN fd : 动摩擦因数
动摩擦力的方向总是和物体的相对滑动的速度方向相反。
§4–2 滑动摩擦的性质
4. 摩擦角、摩擦锥、自锁
比较得
Ff Fmax
y
G
A
x
FN
物体不再处于平衡状态,将水平向右滑动。
作用在物体上的动摩擦力为
F d fdF N 0 .1 1 9 2 2 .2N 8
tan≤ fstan f
α ≤ f
FN F
α G
• 摩擦力的性质 • 静摩擦极限摩擦定律 • 动摩擦定律 • 摩擦角、摩擦锥、自锁
§4–3 考虑滑动摩擦时的 平衡问题
临界平衡状态分析 非临界平衡状态分析
§4–3 考虑滑动摩擦时的平衡问题
考虑摩擦时的平衡问题的分析与前面相同。但要特别注 意摩擦力的分析,其中重要的是判断摩擦力的方向和大小。
则有
tan
F FN
≤
Fmax FN
tanf
F FN
≤
F max FN
0≤ ≤ f
所以物体平衡范围0≤F≤Fmax也可以表示为0≤ ≤ f。
全反力(摩擦角)在静力学中的应用
因动摩擦因数均为μ1,所以a A =a B ,B 与木板共速时滑块A 的速度大小也为v 1,但运动方向与木板相反,A 与木板间仍有滑动摩擦力f A .对于B 与木板,假设两者共速后,相对静止一起以加速度a 2匀减速运动,对B 与木板的整体,由牛顿第二定律有f +μ1m Ag =(m B +m )a 2⑧解得a 2=53m /s 2而B 的最大加速a B max =g μ1=5m /s 2>a 2,可相对静止,假设成立.之后由题意知,B 与木板整体向右匀减速,A 继续先向左减速到零后再向右加速,滑块A 在整个过程中均受水平向右的恒定摩擦力作用,为“类竖直上抛运动”,同样可用类似规律求解.设再经过时间t 2,A 与B 相遇时,三者具有相同的速度,设其大小为v 2,由运动学公式,对木板有v 2=v 1-a 2t 2⑨对A 有v 2=-v 1+a A t 2⑩解得v 2=0.5m /st 2=0.3s同样,在t 2时间内,滑块B 及木板对地向右运动,速度由v 1减速到v 2,对地位移为x B 1x B 1=v 1+v 22t 2=0.225m瑏瑡由分析知,在(t 1+t 2)的全过程内,A 由向左的v 0“匀减速”为向右的v 2,取向右为正,对地位移x A =-v 0+v 22(t 1+t 2)=-0.875m瑏瑣A 和B 开始运动时两者之间的距离为x 0=x B +x B 1-x A瑏瑣解得x 0=1.9m以上高考压轴题强,隐含“类竖直上抛运动”模型,通过与竖直上抛运动类比,从整体着眼,运用速度、位移的矢量特性列式求解.教师在日常教学中应不断引导学生建立物理模型,分析运动本质,应用等效和类比的思想,借用已知知识试探未知领域,不断进行前后知识的类比、融合和拓展,可使学生综合解题能力得到提升.参考文献:[1]马宗彦.竖直上抛运动及其迁移应用[J ].物理教学探讨,2012,30(12):4-5.[2]袁晓鹤.解读竖直上抛运动[J ].中学物理,2017,35(5):59-60.[责任编辑:颜卫东]全反力(摩擦角)在静力学中的应用司鹏举(安徽省合肥八中230071)摘要:在高中物理的学习中经常遇到一些平衡类的问题.有的时候采用常规解法计算量比较大,这个时候应用摩擦角和全反力进行解题,能够很好的解决这类物理问题,其实对于非平衡类的问题也可以使用,不过更为复杂一些,可以借助惯性力思考.关键词:全反力;摩擦角;高中物理中图分类号:G632文献标识码:A文章编号:1008-0333(2020)07-0060-02收稿日期:2019-12-05作者简介:司鹏举(1991.1-),男,安徽省宿州人,研究生,中学一级教师,从事高中物理教学研究.一、全反力和摩擦角如图1,在一个水平面上,处于运动中的物体会受到支持力N 与滑动摩擦力f 的作用,N 与f 的合力R称为支持面对物体的全反力.由于支持力N的方向始终垂直于接触面沿竖直方向,摩擦力f 沿接触面切线方向,所以弹力N 始终和摩擦力f 相互垂直.故运用勾股定理可以求得全反力R的大小为R=N 2+f 槡2.R的方向与—06—N 的方向之间有一夹角,这个角我们称之为摩擦角φm ,而根据力的三角形,不难发现tan φm =fN=μ.所以即使外力N 发生变化,全反力R的方向也不会变化,这样就为一些极值问题创造了一些便捷的解法.二、水平面上的全反力问题1.动态平衡类问题例1如图2所示,与水平方向成θ角的推力F 作用在物块上,随着θ逐渐减小直到水平的过程中,物块始终沿水平面做匀速直线运动.关于物块受到的外力,下列判断正确的是().A .推力F 先增大后减小B .推力F 一直减小C .物块受到的摩擦力先减小后增大D .物块受到的摩擦力一直不变解析(1)一般解法F 的表达式F =μmgcos θ-μsin θ,然后根据F f =μF N =μ(mg +F sin θ)来解决这个问题.(2)全反力解法如图3,由于物块始终做匀速直线运动,所以N 与f 的全反力为R,故mg 和F 的合力应该与R等大反向共线.所以,在θ减小的过程中F 一直减小.F 在水平方向的投影在大小上等于摩擦力,所以摩擦力一直在减小.2.斜面类问题极值类问题例2(2013年华约自主招生)明理同学平时注意锻炼身体,力量较大,最多能提起m =50kg 的物体.一重物放置在倾角θ=15ʎ的粗糙斜坡上,重物与斜坡间的摩擦因数为μ=槡33.试求该同学向上拉动的重物质量M的最大值解析为了让本题在运算过程中有一个比较好的运算,我们可以假设重力加速度的大小为g.(1)一般解法拉力F =50gN假设该同学拉动重物的力F 的方向与斜面之间的夹角为φ,对M 分析受力,分别平行于斜面和垂直于斜面建立坐标轴,如图5所示.由平衡条件可以得x 轴和y 轴上的平衡方程:N +F sin φ-Mg cos θ=0F cos φ-Mg sin θ-μN =0解得:M =F (cos φ+μsin φ)g (μcos θ+sin θ)=F cos (φ+α)g sin (θ+α),其中tan α=μ,也就是说分母为定值,所以M 的最大值应该在分子取极值的时候,故M 的最大值为M max =Fg sin (θ+α)槡=502kg对于本题来说,一般解法在运算量上比较发杂,对同学们的数学要求较高(2)全反力解法如图6所示,弹力F N 与f 的合力R其中R与F N 的夹角为α,tan α=μ,所以α等于30ʎ.故物体重力Mg 与R的反方向之间夹角θ=45ʎ.当F 为固定值50g 的情况下,F 与R垂直时Mg 有最大值,即M max =Fg sin 45ʎ槡=502kg其实斜面上求极值类的问题跟在平面上的处理方法相似,只不过建立坐标系的时候x 轴和y 轴分别平行于斜面和垂直于斜面即可.全反力和图像结合,能够让解题更为的简捷.对于程度比较好的同学来说,全反力和摩擦角在解决这一类问题上可以节省很多时间.解题时,这种方法可以教给学生很好思维方法,培养学生的分析能力.参考文献:[1]李新纪.分析高中物理电场及静力问题解题的思路与方法[J ].通讯世界,2017(04):248-249.[2]吕华荣.破解静力系统问题的方法[J ].物理教学,2015,37(05):60-64+35.[责任编辑:颜卫东]—16—。
静力学中的摩擦力与滑动条件
静力学中的摩擦力与滑动条件在我们日常生活和工程实践中,摩擦力是一个无处不在且至关重要的力。
从我们行走时脚底与地面的相互作用,到机器中零部件的运转,摩擦力都在默默地发挥着它的作用。
而要深入理解摩擦力,就不得不提到静力学中的摩擦力以及滑动条件。
首先,让我们来认识一下什么是摩擦力。
简单来说,摩擦力是当两个物体表面相互接触并相对运动或有相对运动趋势时产生的阻碍相对运动的力。
它的方向总是与物体相对运动或相对运动趋势的方向相反。
摩擦力可以分为静摩擦力、滑动摩擦力和滚动摩擦力。
在静力学中,我们重点关注的是静摩擦力和滑动摩擦力。
静摩擦力是指当两个物体有相对运动趋势但尚未发生相对运动时产生的摩擦力。
比如说,一个放在水平地面上的箱子,你用很小的力去推它,箱子没有动,这时候地面给箱子的摩擦力就是静摩擦力。
静摩擦力的大小不是固定不变的,它会随着你施加的推力的增大而增大,直到达到一个最大值,这个最大值被称为最大静摩擦力。
那么,最大静摩擦力的大小由什么决定呢?它取决于两个物体接触面之间的粗糙程度以及正压力的大小。
接触面越粗糙,最大静摩擦力就越大;正压力越大,最大静摩擦力也越大。
这可以用一个简单的公式来表示:最大静摩擦力=静摩擦系数 ×正压力。
当你施加在物体上的力超过最大静摩擦力时,物体就会开始滑动,这时产生的摩擦力就是滑动摩擦力。
滑动摩擦力的大小相对稳定,它只与接触面的粗糙程度、正压力有关,其大小可以用公式:滑动摩擦力=滑动摩擦系数 ×正压力来计算。
需要注意的是,一般情况下,同一对接触面,静摩擦系数略大于滑动摩擦系数。
这也是为什么物体在开始滑动之前需要更大的力去克服最大静摩擦力。
接下来,我们探讨一下滑动条件。
滑动条件可以简单地理解为当施加在物体上的外力大于最大静摩擦力时,物体就会发生滑动。
但在实际情况中,判断物体是否滑动并不是这么简单。
例如,在一个倾斜的平面上放置一个物体,物体可能会因为重力的分量而有下滑的趋势。
静力学中的摩擦力与平衡条件
静力学中的摩擦力与平衡条件在我们日常生活和工程实践中,静力学的知识无处不在。
而其中摩擦力与平衡条件更是起着至关重要的作用。
当我们推动一个重物,或者让一个物体在斜面上保持静止,这些看似简单的现象背后,都隐藏着静力学中摩擦力与平衡条件的原理。
首先,让我们来认识一下什么是摩擦力。
简单来说,摩擦力就是当两个物体相互接触并相对运动或有相对运动趋势时,在接触面上产生的阻碍相对运动的力。
摩擦力分为静摩擦力、滑动摩擦力和滚动摩擦力。
静摩擦力是在物体尚未发生相对运动,但有运动趋势时产生的。
比如说,当我们试图水平推动一个放在地面上的箱子,但还没有推动时,箱子与地面之间的摩擦力就是静摩擦力。
静摩擦力的大小不是固定的,它会随着我们施加的推力的增大而增大,直到达到一个最大值。
这个最大值被称为最大静摩擦力。
一旦我们施加的推力超过了最大静摩擦力,物体就会开始滑动,此时的摩擦力就变成了滑动摩擦力。
滑动摩擦力的大小与接触面的粗糙程度、正压力的大小有关。
接触面越粗糙,滑动摩擦力越大;正压力越大,滑动摩擦力也越大。
这可以用一个简单的公式来表示:f =μN,其中 f 是滑动摩擦力,μ 是滑动摩擦系数,N 是正压力。
而滚动摩擦力相对较小,这也是为什么在很多情况下,我们会使用轮子来运输重物,因为滚动可以大大减小摩擦力。
接下来,我们再谈谈平衡条件。
平衡条件简单来说就是物体在受到多个力的作用下,保持静止或者匀速直线运动的状态。
在静力学中,平衡条件可以分为两种:共点力平衡和力矩平衡。
共点力平衡指的是物体受到的多个力作用在同一点上,或者它们的作用线相交于一点。
在这种情况下,如果物体要保持平衡,那么这些力的合力必须为零。
也就是说,在水平方向和垂直方向上,所有力的分力之和都必须为零。
力矩平衡则是指物体受到的力对于某个点产生的力矩之和为零。
力矩可以理解为力使物体绕着某个点转动的效果。
当物体受到多个力的作用,且这些力对于某个点产生的力矩之和为零,物体才能保持平衡。
静力学中的摩擦力与平衡条件
静力学中的摩擦力与平衡条件在我们日常生活和工程实践中,静力学的知识无处不在。
其中,摩擦力和平衡条件是两个至关重要的概念,它们对于理解物体的静止状态和受力情况起着关键作用。
首先,让我们来认识一下摩擦力。
简单来说,摩擦力就是当两个物体相互接触并相对运动或有相对运动趋势时产生的阻碍作用。
摩擦力可以分为静摩擦力和动摩擦力。
静摩擦力是在物体尚未开始运动时存在的摩擦力。
比如说,你把一个重物放在水平地面上,想要推动它但还没推动的时候,地面给物体的摩擦力就是静摩擦力。
静摩擦力有一个很有趣的特点,它的大小会随着你施加的外力而变化,但有一个最大值,我们称之为最大静摩擦力。
只要你施加的外力小于最大静摩擦力,物体就会保持静止;一旦外力超过了这个最大值,物体就会开始运动,此时的摩擦力就变成了动摩擦力。
动摩擦力相对来说就比较“稳定”,它的大小只取决于接触面的材料和压力等因素。
动摩擦力的大小通常小于最大静摩擦力。
那摩擦力是怎么产生的呢?这和接触面的粗糙程度、物体间的压力以及接触的材料性质都有关系。
接触面越粗糙,压力越大,摩擦力往往就越大。
接下来,我们再谈谈平衡条件。
平衡条件指的是物体在静止或者做匀速直线运动时,所受到的合力为零。
这就好比一个天平,如果两边的重量相等,天平就会保持平衡;如果不平衡,天平就会倾斜。
在静力学中,一个物体要保持平衡,不仅合力要为零,在各个方向上的分力也都要为零。
比如说,一个放在斜面上静止的物体,它受到重力、斜面的支持力以及摩擦力的作用。
重力可以分解为沿着斜面方向向下的分力和垂直于斜面方向向下的分力。
在这种情况下,斜面的支持力与重力垂直于斜面方向的分力大小相等、方向相反;而摩擦力则与重力沿着斜面方向向下的分力大小相等、方向相反,这样物体才能保持静止,满足平衡条件。
为了更深入地理解摩擦力和平衡条件,我们来看几个实际的例子。
想象一下,一辆停在斜坡上的汽车。
如果没有手刹或者其他制动装置,汽车很可能会滑下来。
这是因为重力沿着斜坡方向有一个分力,试图让汽车下滑。
第五章 摩擦(静力学专题)
FAN FA
FW
FR
解得:FR=20kN
B
(3) 假设A、B点处于极限状态
F F
FBN
FB
iy ix
0 : FAN FW FBN 0 0 : FR FA FB 0 FB f s FBN
FA f s FNA ,
解得:FR=27kN
★理论力学电子教案
第4章 摩擦专题
A
FAN FA
FW
FR FB
B
FBN
假设平衡:∑MB= FR · r – FA · 2r = 0 , (25- FA ×2)r=0 FA=12.5 > FAL =12 可见 A点有相对滑动。
假设平衡:∑MA= FR · r – FB · 2r = 0 , (25- FB × 2)r=0 FB=12.5 < FBL=15 可见B点无相对滑动。
FN2 - FPmax sin - FQ cos = 0 补充 FL2 = f · FN2
sinα+ f cosα FPmax = cosα- f sinα
FPmax
FN1 FL1
FQ
= FQ tan(α+φm )
★理论力学电子教案
第4章 摩擦专题
30
FQ FP
∵ F Pmin = FQ tan(α-φm )
解:∵ m ∴ FP 太小,物块有下滑趋势。 FP 太大,物块有上滑趋势。
★理论力学电子教案
第4章 摩擦专题
28
1°求FPmin 由 F ix = 0, FPmincos + FL1 - FQ sin = 0 由 F iy = 0, FN1 – FPminsin - FQ cos = 0 补充 FL1 = f · FN1
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to the general conclusion that the
block can be in equilibrium only if the line of action of
FR stays within the sector (bounded by ±ϕ). For more general loadings, the line of action of FR must lie within the cone, called cone of static friction, that is formed by
of sliding up. Fs acts toward down .
(FS)
α
(2) F=Fmin, Block is on the verge of sliding down. FS acts toward up.
2. Assuming block is in equilibrium
(1) F=Fmax
rotating the sector about the normal n. Observe that the
vertex angle of the cone of static friction is 2ϕ.
If the block is in equilibrium, then
α≤ϕ
5.4 Problem Classification and Analysis Type I The problem statement dose not specify impending
∑ Fy=0 FN -P·cosα-F·sinα =0
∑ Fx=0 F·cosα-P·sinα -FS=0
补充方程:
FS= µS ·FN
∴
Fmax
=
sinα + µ S cosα cosα − µ S sinα
P
α
(FS)
(2) F=Fmin
∑Fy=0 FN -P·cosα-F·sinα =0
∑Fx=0 F·cosα-P·sinα +FS=0
motion.
Method of Analysis
1. Assume equilibrium
2. Solve the equilibrium equations ⇒ friction force.
3. Check the assumption. If F ≤Fmax=µSN , Answer. Otherwise, F=µkN
Dry friction refers to the friction force that exists between two unlubricated solid surface. 5.2 Coulomb’s Theory of Dry Friction
Let us observe an experiment:
Sample problem 5-1 The weight of body is W, and pushing
force is P. W=100N, P=500N. µS=0.3. Determine the friction.
Solution: 1. The FBD
y
2. Assuming the block in equilibrium. So we have
3. Choose the correct answer by inspection of the solution.
Method of Analysis 2
1.Determine all possible ways in which sliding can impending.
2. For one of the cases, set F=Fmax at the surface where sliding impends and solve the equilibrium equations.
补充方程:
FS= µS ·FN
∴
Fmin
=
sinα − µ S cosα cosα + µ S sinα
P
sinα − µ S cosα P < F < sinα + µ S cosα P
cosα + µ S sinα
cosα − µ S sinα
Sample problem 5-3 The spool in Fig. (a) weights 25N, and its center of gravity is located at the geometric center. The weight of block C is 50N. The coefficients of static friction at the two points of contact are as shown. Determine the largest horizontal force P that can be applied without disturbing the equilibrium of the system.
µs , µk 的大小可由实验测定,它们与接触物体的材料和表 面状态有关。常用材料的µs , µk见表5-1。
5.3 Angle of Friction
a.Angle of friction
As shown in Fig. a, the reaction of rough surface is
FR .FR=FN+FS . We let α be the angle between the contact force FR and the normal n to the contact surface.The upper limit of α, denoted by ϕ , is reached at
In Fig.(a) , the friction force F
opposes the tendency of P to slide F
the block to the left. If the direction
P
of P is reversed, the direction of F
would also be reversed. This leads
2. Solve for the unknowns using equilibrium equations
Type III The problem statement implies impending sliding, but the surfaces at which sliding impends are not known. Method of Analysis 1
∑ Fy=0
F=W=100N
N
x∑ Fx=0来自N=P=500N3. Check
Fmax=N·µS=0.3×50=150N F=100N<Fmax 4. Comment
F Answer
What is the result if P is still 500N, but the weight of the body changes to 200N?
a. Static case (no P) No friction force, no relative motion, no tendency of relative motion.
b. Static case (P <Fmax) No relative motion, but having the tendency of relative motion and a friction force existing. 0≤F =P<Fmax=µSN µS: coefficient of static friction
impending sliding when FS=Fmax=µSFN (Fig.b).
Therefore, we have
tgϕ = Fmax
FN
= µs FN
FN
= µs
The angle ϕ is called the angle of static friction.
b. Self-locking
1. Determine all possible ways in which sliding can impend.
2. For one of the cases, set F=Fmax at the surfaces where sliding impends and solving the equilibrium equations. In general, a different solution is obtained for each mode of impending sliding.
tg-1µS<α . Determine the value of the push force F acting in horizon that makes block in equilibrium.
Solution: (Impending sliding)
1. The FBD. (1) F=Fmax, Block is on the verge
Chapter 5 Dry Friction
5.1 Introduction In most of equilibrium problems that we have
analyzed up to this point, the surface of contact have been smooth (frictionless). The reactive forces were, therefore, normal to the contact surface. The concept of a smooth surface is, of course, an idealization. All real surface also provide a force component that is tangent to the surface, called the friction force, that resists sliding.