如圖所示,在水平圓盤上同一直徑方向上放有物體A和B,它們分居圓心兩側,中間用細線相連,其中mA=4kg,mB=4kg,與圓心的距離分別為rA=0.1m,rB=0.2m,物體A、B與圓盤間的動摩擦因數均為μ=0.2,設最大靜摩擦力等于滑動摩擦力,若圓盤從靜止開始繞中心轉軸非常緩慢地加速轉動,用ω表示圓盤轉動的角速度,fA表示物體A與圓盤之間的摩擦力,重力加速度 g=10m/s2。
(1)當細線中出現張力時,求圓盤轉動的角速度ω1。
(2)物體A、B相對圓盤要滑動時,求圓盤轉動的角速度ω3。
(3)在上面坐標圖中畫出物體A、B滑動前,fA隨ω2變化的關系圖像。
題目答案如下圖:
解析:在相對圓盤滑動前,A、B物體是共軸轉動,所以角速度ω時刻相等。
1、當圓盤轉動的角速度ω較小時,A、B物體做圓周運動的向心力由各自的所受的靜摩擦力提供,此時細繩上的張力為零,圓盤轉動的角速度ω慢慢增大時,A、B兩物體所受的靜摩擦力慢慢增大,那哪一個物體先達到最大靜摩擦力呢?這就要比較兩者達到最大靜摩擦力時圓盤角速度的值了。
對A:μ mA g=mA ω′2 rA
對B:μ mB g=mB ω”2 rB
通過計算會發現,ω′> ω”,所以物塊B會最先達到最大靜摩擦力,從而可以求出當細線中出現張力時,圓盤轉動的角速度ω1的值即為ω”。
2、當細線中出現張力后,進一步增大圓盤轉動的角速度ω,A物體所受的靜摩擦力將進一步增大,直到達到最大靜摩擦力;B物體一直保持指向圓心的最大靜摩擦力,向心力由細線的拉力T和最大靜摩擦力提供。此時A、B物體有以下等式成立。
對A:T + fA=mA ω2 rA
對B:T + μ mB g=mB ω2 rB
3、當A物體達到最大靜摩擦力后,如果圓盤轉動的角速度ω進一步增大,將會發生什么呢?這一點是這道題目的難點。
這個時候物體A、B都達到了最大靜摩擦力,圓盤轉動的角速度ω進一步增大,如果只增大細線上張力T,而兩者的摩擦力不變可以行嗎?這樣明顯是不行的,因為A所需要的向心力要比B增長的快,只能一種情況,A物體變為主動,去拉B,讓B所受的摩擦力先減小到零,然后反向增大到最大靜摩擦力。當B物體增大到反向最大靜摩擦力時,如果在增大圓盤轉動的角速度ω,那A物體就會拉著B物體相對圓盤滑動了。
當B物體所受的靜摩擦力方向背離圓心達到最大時有關的等式。
對A:T +μ mA g=mA ω2 rA
對B:T ? μ mB g=mB ω2 rB
此時即可以求出物體A、B相對圓盤要滑動時,圓盤轉動的角速度ω。
做一道列題看看
如圖所示,兩物塊A、B套在水平粗糙的CD桿上,并用不可伸長的輕繩連接,整個裝置能繞過CD桿中點的軸010轉動,已知A、B的質量分別為2m、m,A和B與CD桿間的動摩擦因數相同,A、B與CD桿中’點的距離分別為r和2r,設最大靜摩擦力等于滑動摩擦力。開始時繩子處于自然長度(繩子恰好伸直但無彈力),現讓該裝置從靜止開始繞軸010轉動,在轉速逐漸增大(繩子不會被拉斷)的過程中,下列說法正確的是( B )
A、A受到的靜摩擦力一直增大
B、B受到的靜摩擦力先增大后保持大小不變
C、A受到的靜摩擦力先增大后減小再增大
D、CD桿的角速度逐漸增大的過程中,B比A先滑動