高一物理竞赛讲义八 - 平衡的种类

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一般物体的平衡问题

物体的平衡又分为随遇平衡、稳定平衡和不稳定平衡三种． 一、稳定平衡：如果在物体离开平衡位置时发生的合力或合力矩使物体返回平衡位置，这样的平衡叫做稳定平衡．如图1—1（a）中位于光滑碗底的小球的平衡状态就是稳定的． 二、不稳定平衡：如果在物体离开平衡位置时发生的合力或合力矩能使这种偏离继续 增大，这样的平衡叫做不稳定平衡，如图1—1(b)中位于光滑的球形顶端的小球，其平衡状态就是不稳定平衡．

三、随遇平衡：如果在物体离开平衡位置时，它所受的力或力矩不发生变化，它在新 的位置上仍处于平衡，这样的平衡叫做随遇平衡，如图1—1（c）中位于光滑水平板上的小球的平衡状态就是随遇的．

从能量方面来分析：

物体系统偏离平衡位置，势能增加者，为稳定平衡； 物体系统偏离平衡位置，减少者为不稳定平衡； 物体系统偏离平衡位置，不变者，为随遇平衡．

如果物体所受的力是重力，则稳定平衡状态对应重力势能的极小值，亦即物体的重心有最低的位置．

不稳定平衡状态对应重力势能的极大值，亦即物体的重心有最高的位置． 随遇平衡状态对应于重力势能为常值，亦即物体的重心高度不变．

类型一、物体平衡种类的问题一般有两种方法解题，一是根据平衡的条件 从物体受力或力矩的特征来解题，二是根据物体发生偏离平衡位置后的能量变化来解题。

例1．有一玩具跷板，如图1—2所示，试讨论它的稳定性（不考虑杆的质量）．

分析和解：假定物体偏离平衡位置少许，看其势能变化是处理此类问题的主要手段之一，本题要讨论其稳定性，可假设系统发生偏离平衡位置一个θ角，则：

在平衡位置，系统的重力势能为

E(0)?2L(?lc?osm )gθ角时，如图1一3所示，此时系统的重力势能为E(?)?mg[Lco?s?lc?os?(??)m]gL[??cosl??c ?os ?2mgco?sL(?lc?o s ?EP?E(?)?E(0?)2mg(?cos?L1)(l? c故只有当L?lcos?时，才是稳定平衡．

例2．如图1—4所示，均匀杆长为a，一端靠在光滑竖直墙上，另一端靠

1

当系统偏离平衡位置

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在光滑的固定曲面上，且均处于Oxy平面内．如果要使杆子在该平面内为随遇平衡，试求该曲面在Oxy平面内的曲线方程．

分析和解：本题也是一道物体平衡种类的问题，解此题显然也是要从能量的角度来考虑问题，即要使杆子在该平面内为随遇平衡，须杆子发生偏离时起重力势能不变，即杆子的质心不变，yC为常量。 又由于AB杆竖直时y1C?2a， 那么B点的坐标为

x?asin?

y?1112a?2acos??2a(1?cos?)

消去参数得 x2?(2y?a)2?a 2

类型二、物体系的平衡问题的最基本特征就是物体间受力情况、平衡条件互相制约，情况复杂解题时一定要正确使用好整体法和隔离法，才能比较容易地处理好这类问题。

例3．三个完全相同的圆柱体，如图1一6叠放在水平桌面上，将C柱放上去之前，A、B两柱体之间接触而无任何挤压，假设桌面和柱体之间的摩擦因数为μ0，柱体与柱体之间的摩擦因数为μ，若系统处于平衡，μ0与μ必须满足什么条件？

分析和解：这是一个物体系的平衡问题，因为A、B、C之间相互制约着而有单个物体在力系作用下处于平衡，所以用隔离法可以比较容易地处理此类问题。

设每个圆柱的重力均为G，首先隔离C球，受力分析如 图1一7所示，由∑Fcy＝0可得

2(32N11?2f1)?G ① 再隔留A球，受力分析如图1一8所示，由∑FAy=0得

32N?112f1?N2?G?0 ② 由∑FAx=0得

f32?2N11?2N1?0 ③ 由∑EA＝0得

f1R?f2R ④ 由以上四式可得

f1?f2?N12?3?2?32G

2

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N131?2G，N2?2G

而f2??0N2，f1??N1

??30?23，??2?3 类型三、物体在力系作用下的平衡问题中常常有摩擦力，而摩擦力Ff与弹力FN的合力凡与接触面法线方向的夹角θ不能大于摩擦角，这是判断物体 不发生滑动的条件．在解题中经常用到摩擦角的概念．

例4．如图1一8所示，有两根不可伸长的柔软的轻绳，长度分别为l1 和l2，它们的下端在C点相连接并悬挂一质量为m的重物，上端分别与质量可忽略的小圆环A、B相连，圆环套在圆形水平横杆上．A、B可在横杆上滑动，它们与横杆间的动摩擦因数分别为μ1和μ2，且l1?l2。试求μ1和μ2在各种取值情况下，此系统处于静态平衡时两环之间的距离AB。 A

分析和解：本题解题的关键是首先根据物体的平衡条件，分析小环的受力情况得出小环的平衡条件Ff??FN，由图1—9可知

??FfTsi?nF?FNF?ta?n

Tco?s 定义??tan?，?为摩擦角，在得出摩擦角的概念以后，再由平衡条件成

为???展开讨论则解此题就方便多了。 即由tan??tan??? 情况1：BC绳松弛的情况

θ1=00，不论μ1、μ2为何值，一定平衡。 情况2：二绳均张紧的情况（图1—10） 环不滑动的条件为：

?1??1，即tan?1?tan?1??1

于是有

cos?1?1tan2??cos?1?11?1?2?1

sin?tan?111?tan2??sin?1??1?1?2?1 又由图1—11知

CD?l1cos?1?l2cos?2

3

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?1?cos2??l2sin?122?1l2cos2?1 2所以，若要A端不滑动，AB必须满足

l1?12l2AB?l1??2?l2?11sin?1?l2sin?22 ①

1?1?1?1根据对称性，只要将上式中的下角标1、2对调，即可得出B端不滑动时，AB必须满足的条件为：ABl2?22l2?2?2?l1?2?1?22?1②

如果系统平衡，①②两式必须同时满足。

从①式可以看出，μ1可能取任意正值和零，当μ1=0时，AB只能取最小值

l222?l1，此时θ1=0，l2拉直但无张力。从②式可以看出μ

2

的取值满足

l2?22?l2?1 1否则AB无解，?l2222?l2?1时，AB取最小值l2?l21。 1综上所述，AB的取值范围为：

情况1：l22松弛0?AB?l2?l21，μ1、μ2为任意非负数。 情况2：ll2?l22张紧21?AB?[①②两式右边较小的]，μ1为任意非负数，l2?22?l2?1。

1类型四、一般物体平衡条件的问题主要又分为刚体定轴转动平衡问题和没

有固定转动轴的刚体转动平衡问题，这类问题要按一般物体平衡条件来处理，即要么既要考虑力的平衡，又要考虑力矩平衡来求解；要么就要考虑以哪点为转动轴或哪点先动的问题。

例5．质量分别为m和M的两个小球用长度为l的轻质硬杆连接，并按图1一11所示位置那样处于平衡状态．杆与棱边之间的摩擦因数为μ，小球m与竖直墙壁之间的摩擦力可以不计．为使图示的平衡状态不被破坏，参数

m 、 M 、 μ 、 l、a和?应满足什么条件？ 分析和解：本题是一道典型的刚体定轴转动平衡问题，解题时对整体进行

受力分析，但物体的平衡不是共点力的平衡，处理时必须用正交分解法，同时还要考虑力矩的平衡，受力分析如图，根据力的平衡条件可列出：

Ncos??Fmsin??(M?m)g ① Nsin??N1?Fmcos? ② 根据力矩平衡条件可写出：

Mglcos??Nacos? ③ 杆不滑动的条件为Fm < Μn。由①得 F?Nco?sm?(M?m)gsin???N，即

(M?m)g?N(cos???sin?)④

用③除④得 (m?1)?lc2Mao?s(?c?o?s? s i n ) ⑤

杆不向右翻倒的条件为N1＞0。由①和②可得出 N1?Fmcos??Ns?in 4

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?(M?m)g?Ncos?sin?cos??Nsin??0

由此可得(M?m)gcos??N ⑥ 将③中的N代人⑥得

1?mM?lacos? ⑦ 由于lcos??a，再考虑不等式⑦，可得 1?laco?s?1?ml2M?aco?s(?co?s?? s i n ⑧

) 为了在不等式⑧中能同时满足最后两个不等号，就必须满足条件：

cos?(c?o?s?s?i?n )由此可得平衡条件为：??tan?，如果??tan? ，就不可能出现平衡．例6．如图1一12，匀质杆长l，搁在半径为R的圆柱上，各接触面之间的摩擦因数均为μ，求平衡时杆与地面的夹角α

应满足的关系．

分析和解：本题也是一个一般物体的平衡问题与

上题的区别在 于没有固定转动轴，所以这个问

题的难点在于系统内有三个接触点，三个点上的 力都是静摩擦力，不知道哪个点最先发生移动． 我们先列出各物体的平衡方程：设杆和圆柱的 重力分别为G1和G2。 对杆

∑Fx=0 Ff3＋Ff2cosα=FN2sinα ① ∑Fy=0 FN3＋FN2cosα+Ff2sinα=G1 ②

∑Ml2?cos??F?O′=0 G1?N2?R?cos2 ③

对柱

∑Fx=0 Ff1＋Ff2cosα=FN2sinα ④ ∑Fy=0 Ff2sinα+G2＋FN2cosα=FN1 ⑤

∑MO=0 Ff1 =Ff2 ⑥ ∑MO′=0 FN2+G2=FN1 ⑦

以上七个方程中只有六个有效，由⑦式可知，FN1>FN2,又因为 Ff1 =Ff2 ,所以一定是2 z处比1处容易移动,再来比较2处和O′处. (1)如果是2处先移动,必有 Ff2=μFN2, 代入④式,可得??tan?2,将此结果

代入①②③式,即有

FG1L??(1??2)f3?2R(1??2)(sin???cos?) FGl??(1??2)N3?1[1?2R(1??2)(?sin??cos?)] 在这种情况下,如要Ff3≤μFN3,必须有

l?R(1??2)??(1??2) 杆要能搁在柱上，当然要l?R?Rtan??

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因此在l?R?R?l?R?(1??2)tan???(1??2)时,α=2arctanμ。 2（2）如果是0'处先移动，必有Ff3=μFN3，代入①②式，可有

Ff2?FN2?tan?2

tan?FN2?G1?l?cos??22R??

2R?l?cos(1?1tan?)?tan??22 ⑧ 满足⑧式的α即为平衡时的α，这时要求Ff2＜FN2·μ，须有

l?R1??2??1??2 综上所述

当R??l?R??1??21??2时，α=2arctanμ。 当l?R??1??21??2时，α应满足2R?l?cos?(1?1?tan?2)?tan?2。

三、小试身手

如图所示，用长为2 R的细直杆连结两个小球A、B，它们的质量分别为m和2m，置于光滑的、半径为R的半球形碗内，达到平衡时，半球面的球心与B球的连线与竖直方向间的夹角的正切为（ ）

（A）1 A （B）1/2 B （C）1/3

（D）1/4

1． 如图1—13所示，长为L的均匀木杆AB,重量为G，系在两根长均为L的

细绳的两端，并悬挂于O点，在A、B两端各挂一重量分别为G1、G2的两物，求杆AB处于平衡时，绳OA与

竖直方向的夹角．

1．解：以ΔOAB整体为研究对象，并以O为转动轴，其受力情况如图所示，设OA与竖直线夹角为?，OC与竖直线夹角为?，因为ΔOAB为等边三角形，C为AB边的中点，

所以?AOC?12?AOB?300，????300，即??300??，

OC?Lsin600?32L，CF?OCsin??32Lsin(300??)，BD?Lcos(600??)?Lcos(300??)，AE?Lsin?，以O为转动轴，则由刚体的平衡条件?M?0可知G1?AE?G?CF?G2?BD， 即G1Lsin??G32Lsin(300??)?G2Lcos(300??) 展开后整理得：tan??3(2G2?G4G?2G

1?3G2所以，AB处于平衡时，绳OA与竖直方向的夹角为

??arctan（32G2+G）4G?3G?2G 126

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一足够长的斜面，最高点为O点，有一长为l＝1.00 m、

O B 质量为m′＝0.50 kg且质量分布均匀木条AB，A端在斜面上，B端伸出斜面外．斜面与木条间的摩擦力足够大，以致木条不会在斜面上滑动．在木条A端固定一个质量为A M＝2.00 kg的重物（可视为质点），B端悬挂一个质量为

m＝0.50 kg的重物．若要使木条不脱离斜面， OA的长度需满足什么条件？画出均匀木条的受力情况图。

（画受力图）

解：设G为木条重心，由题意可知

AG?12l 当木条A端刚刚离开斜面时，受力情况如图所示．（2分）

G

由①中的分析可知，若满足

Mg?OAcos?＞

mg?OBcos??mg?OGcos?

（

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分）木条就不会脱离斜面。解得：OA＞0.25 m （2分）

长度为L的相同的砖块平放在地面上，上面一块相对于下面一块伸出L/4，如图所示，试问，最多可以堆几块砖刚好不翻到？

1、图示A、B分别是固定墙上的两个相同的钉子，一根长2L，质量为m，质量分布均匀

的细杆搁在两钉子间处于静止状态，开始时AB间距离为2/3L，杆的上端恰好在A点，且杆与水平方向的夹角为30°。

（1）求A、B两点上受到的弹力。

（2）如果让钉子A不动，钉子B以A为圆心绕A慢慢地逆时针转动，当转过15°时，杆刚好开始向下滑动。求杆与钉子间的滑动摩擦系数是多少？

（3）如果细杆与水平方向保持30°不变，钉子B沿着杆方向向下改变位置，则B移动到距A多大距离处时，杆不再能保持平衡？

A B X=

23L2?3=0.928L

30°

2． 一长为L的均匀薄板与一圆筒按图1—14所示放置，平衡时，板与地面成

θ角，圆筒与薄板相接触于板的中心．板与圆筒的重量相同均为G．若板和圆筒与墙壁之间无摩擦，求地面对板下端施加的支持力和静摩擦力．

解：如图所示，圆筒所受三个力沿水平和竖直方向平衡的分量式为

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FN1?FNsin??0，FNcos??G?0

板所受五个力沿水平和竖直方向平衡的分量式为

Ff?FN?sin??FN2?0 FN3?G?FN?cos??0 板所受各力对圆筒和板的交点为转动轴的力矩平衡方程

为

FLN22sin??FLLf2sin??FN32cos??0 根据牛顿第三定律，有FN??FN 联立以上各式，可解得地面对板的支持力和静摩擦力分别为

FN3=2G，Ff?G（cot?-12tan?）

3． 如图1—15，两把相同的均匀梯子AC和BC，由C端的铰链 连起来，组

成人字形梯子，下端A和B相距6m，C端离水平地面4m，总重200 N，一人重600 N，由B端上爬，若梯子与地面的静摩擦因数μ＝0.6，则人爬到何处梯子就要滑动？

解：进行受力分析，如图所示，把人和梯子看成一个整体，整个系统处于平衡

状态：

AB=6m，CD=4m，∴AC=BC=5m 设人到铰链C的距离为l 满足?F?0，

?M?0

所以G?GAC?GBC?FN1?FN2

Ff1?Ff2

G?l?cos??G?1BC2BD???FN1?CD?FN1?BD

整理后：FN1?FN2?400N，l?2.5m

所以人在爬到梯子中点处时梯子就要滑动

平衡块 O 机架 2、塔式起重机的结构如图所示，设机架重P＝400 kN，悬臂长度为L＝10 m，平衡块重W＝200 kN，平衡块与中心线OO/的距离可在1 m到6 m间变化，轨道A、B间的距离为4 m。

⑴当平衡块离中心线1 m，右侧轨道对轮子的作L 用力fB是左侧轨道对轮子作用力fA的2倍，问机架重心离中心线的距离是多少？

⑵当起重机挂钩在离中心线OO/10 m处吊起重为挂钩 G＝100 kN的重物时，平衡块离OO/的距离为6 m，问此时轨道B对轮子的作用力FB时多少？

轮子 轨道 8 2m 2m O/ 高一物理竞赛讲义

解：⑴空载时合力为零：fA?fB?P?W?600 kN

已知：fB＝2fA 求得：fA＝200 kN fB＝400 kN

设机架重心在中心线右侧，离中心线的距离为x，以A为转轴，力矩平衡fB?4?W?(2?1)?P?(2?x) 求得：x＝1.5 m

⑵以A为转轴，力矩平衡

W?(6?2)?FB?4?P?(2?1.5)?G?(10?2)

求得：FB＝450 kN

5．

7． 如图1—19所示，有六个完全相同的

长条薄片AiBi(i=1,2,... 6)依次架在水平碗口上，一端搁在碗口、另一端架在另一薄片的正中位置（不计薄片的质量）将质量为m的质点置于A1A6的中点处，试求A1B1薄片对A6B6的压力．

7． 解：本题中六个物体，其中通过分析可知A1 B1、A2B2、A3B3、A4B4、A5B5

的受力情况完全相同，因此将A1 B1、A2B2、A3B3、A4B4、A5B5作为一类，对其中一个进行受力分析、找出规律，求出通式即可．

以第i个薄片AB为研究对象，受力情况如图1所示，

第i个薄 片受到前一个薄片向上的支持力FNi、碗边 向上的支持力和后一个薄片向下的压力FNi?1．选碗边 B点为轴，根据力矩平衡有FNi?L?FLNi?1?，得FF12Ni?Ni?2 9

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所以FN1?1111FN2??FN3?????()5FN6 ① 2222再以A6B6为研究对象，受力情况如图2所示，A6B6受到

薄片A5B5向上的支持力FN6、碗边向上的支持力和后一

个薄片A1 B1向下的压力FN1、质点向下的压力mg。选 B6点为轴，根据力矩平衡有 ② 由①②联立，解得FmgN1?42 所以A1B1薄片对A6B6的压力为mg42

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