Lesson 03

Solving Force Analysis Problems

受力分析问题

现在每种常见力都有了出现条件和方向。真正的难点是让受力图、坐标轴、运动约束与方程讲同一个故事。下面的情境用同一组定律解释不同的运动。

1. Inclined-plane problems

斜面改变了接触面的方向,没有改变重力方向。沿斜面和垂直斜面选轴,会让支持力和摩擦力的分量最简单。若斜面倾角为 \(\theta\),重力的分量大小是

\[\begin{gathered} F_{g,\parallel}=mg\sin\theta, \\ F_{g,\perp}=mg\cos\theta. \end{gathered}\]

重力仍然只有一个,两个分量只是它的替代表示。只有物体保持接触、垂直斜面无加速度且无其他垂直分量时,\(N=mg\cos\theta\)。光滑斜面上,沿斜面向下取正,\(a=g\sin\theta\);下滑且有动摩擦时,

\[a=g(\sin\theta-\mu_k\cos\theta).\]

静止时应先求所需静摩擦 \(mg\sin\theta\),再检查是否不超过 \(\mu_sN\),即 \(\tan\theta\le\mu_s\)。研究对象增加到两个,方程仍然逐个写,只是多一个共同约束。

斜面受力:重力向下、支持力垂直表面

2. Two-body pulley problems

两个物体通过绳与滑轮联系时,各有各的受力图。不能把另一物体的重量直接画到本物体上,它通常通过张力发生作用。对于质量可忽略、无摩擦的固定滑轮与不可伸长绳,两端加速度的大小相同,方向由几何约束判断。

例如桌面上的 \(m_1\) 由悬挂的 \(m_2\) 拉动,假定 \(m_2\) 向下,分别沿运动方向取正:

\[\begin{gathered} T-f_k=m_1a, \\ m_2g-T=m_2a. \end{gathered}\]

把两式相加,张力作为系统内力消去,得到 \(m_2g-f_k=(m_1+m_2)a\)。这也说明整体加速度由总外力和总质量决定。若静止也可能成立,应先检查静摩擦能否维持平衡;若是动滑轮,不能照搬两端加速度大小相等的结论。

理想固定滑轮:同一绳拉力相同,两侧加速度大小相同

3. Resistive-force problems

绳的约束连接两个物体;阻力则把同一物体的速度与受力连接起来。下落时取向下为正,在重力和空气阻力模型中,

\[mg-F_D(v)=ma.\]

刚释放时速率小,阻力小,加速度接近 \(g\)。速度增大,阻力增大,加速度逐渐减小,速度图逐渐变平,最后趋近终端速率。这一变化必须同时满足受力图、\(v\)–\(t\) 斜率和力的变化。

如果题目给出线性模型 \(F_D=bv\),终端条件给出 \(v_t=mg/b\);这个关系来自 \(a=0\),不是把任何时刻的加速度都设为零。下一种情境也容易误把“运动”和“加速度”混淆:乘电梯时体重秤为什么改变?

4. Force analysis of accelerating objects and apparent weight

Apparent weight 视重是秤或支撑物给人的支持力读数,不是重力本身。取向上为正,人的受力方程是

\[\begin{gathered} N-mg=ma_y, \\ N=m(g+a_y). \end{gathered}\]

向上加速度时读数增大,向下加速度时减小;匀速上升和匀速下降都读 \(mg\)。因此不能用电梯的运动方向直接判断读数,应该看加速度。自由下落时 \(a_y=-g\),\(N=0\),人失重却仍受重力。

牛顿定律让我们知道每个时刻运动怎样改变。如果只关心起点和终点的速度,而不需要整个过程的时间,下一单元的功与能量会提供另一条更简洁的路径。

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