求解平衡問題的九種方法

2022-07-29 12:51:03 字數 3342 閱讀 8322

一、力的合成法

物體在三個共點力的作用下處於平衡狀態,則任意兩個力的合力一定與第三個力大小相等,方向相反;「力的合成法」是解決三力平衡問題的基本方法.

例1如圖1甲所示,重物的質量為,輕細繩ao與bo的a端、b端固定,平衡時ao水平,b0與水平面的夾角為,ao拉力和bo拉力的大小是 ( )

a、 b.

c. d.

解析根據三力平衡特點,任意兩個力的合力與第三個力等大反向,可作出圖1所示向量圖,由三角形知識可得,.

所以正確選項為bd

二、正交分解法

物體受到三個或三個以上力的作用時,常用正交分解法列平衡方程求解:,.為方便計算,建立座標系時以盡可能多的力落在座標軸上為原則.

例2 如圖2甲所示,不計滑輪摩擦,兩物體均處於靜止狀態.現加一水平力作用在b上使b緩慢右移,試分析b所受力f的變化情況.

解析對物體b受力分析如圖2所示,建立如圖直角座標系,在軸上有

①在軸上有

②又③聯立①②③得.

可見,隨著不斷減小,水平力f將不斷增大.

三、整體法與隔離法

整體法是把兩個或兩個以上物體組成的系統作為乙個整體來研究的分析方法;當只涉及研究系統而不涉及系統內部某些物體的受力和運動時,一般可採用整體法.

隔離法是將所確定的研究物件從周圍物體(連線體)系統中隔離出來進行分析的方法,其目的是便於進一步對該物體進行受力分析,得出與之關聯的力.為了研究系統(連線體)內某個物體的受力和運動情況時,通常可採用隔離法.一般情況下,整體法和隔離法是結合在一起使用的.

例3有一直角支架aob,ao水平放置,表面粗糙,ob豎直向下,表面光滑,ao上套有小環p,ob上套有小環q,兩環質量均為m,兩環間由一根質量可忽略,不何伸長的細繩相連,並在某一位置平衡,如圖所示,現將p環向左移一小段距離,兩環再將達到平衡,那麼將移動後的平衡狀態和原來的平衡狀態比較,ao杆對p環的支援力和細繩拉力的變化情況是:( )

a、不變、變大 b、不變、變小

c、變大、變大 d、變大、變小

解析採取先「整體」後「隔離」的方法.以p、q、繩為整體研究物件,受重力、ao給的向上彈力、ob給的水平向左彈力.由整體處於平衡狀態知ao給p向右靜摩擦力與ob給的水平向左彈力大小相等;ao給的豎直向上彈力與整體重力大小相等.

當p環左移一段距離後,整體重力不變,ao給的豎直向上彈力也不變.再以q環為隔離研究物件,受力如圖3乙所示,q環所受重力g、ob給q彈力f、繩的拉力處於平衡,p環向左移動一小段距離的同時移至位置,仍能平衡,即豎直分量與g大小相等,應變小,所以正確答案為b選項.

四、向量三角形法

對受三力作用而平衡的物體,將力向量圖平移使三力組成乙個首尾依次相接的封閉力三角形,進而處理物體平衡問題的方法叫三角形法;力三角形法在處理動態平衡問題時方便、直觀,容易判斷.

如圖4甲,細繩ao、bo等長且共同懸一物,a點固定不動,在手持b點沿圓弧向c點緩慢移動過程中,繩bo的張力將 ( )

a、不斷變大

b、不斷變小

c、先變大再變小

d、先變小再變大

解析選0點為研究物件,受、、三力作用而平衡,此三力構成一封閉的動態三角形如圖4乙.容易看出,當與垂直即時,取最小值,所以d選項正確.

五、相似三角形法

物體受到三個共點力的作用而處於平衡狀態,畫出其中任意兩個力的合力與第三個力等值反向的平行四邊形中,可能有力三角形與題設圖申的幾何三角形相似,進而力三角形與幾何三角形對應成比例,根據比值便河計算出末知力的大小與方向.

例5 固定在水平面上的光滑半球半徑為r,球心0的正上方c處固定乙個小定滑輪,細線一端拴一小球置於半球面上a點,另一端繞過定滑輪,如圖5所示,現將小球緩慢地從a點拉向b點,則此過程中小球對半球的壓力大小、細線的拉力大小的變化情況是 ( )

a、不變、不變 b.不變、變大

c,不變、變小 d.變大、變小

解析小球受力如圖5乙所示,根據平衡條件知,小球所受支援力和細線拉力的合力跟重力是一對平衡力,即.根據幾何關係知,力三角形與幾何三角形相似.設滑輪到半球頂點b的距離為h,線長ac為l,則有

,由於小球從a點移向b點的過程中,均不變,減小,故大小不變,減小.所以正確答案為c選項.

六、正弦定理法

正弦定理:在同乙個三角形中,三角形的邊長與所對角的正弦比值相等;在圖6中有

同樣,在力的三角形中也滿足上述關係,即力的大小與所對角的正弦比值相等.

例6 不可伸長的輕細繩ao、bo的結點為0,在0點懸吊電燈l,oa繩處於水平,電燈l靜止,如圖圖7甲所示,保持0點位置不變,改變oa的長度使a點逐漸上公升至c點,在此過程中繩oa的拉力大小如何變化?

解析取0點為研究物件,0點受燈的拉力f(大小等於電燈重力g)、oa繩的拉力、ob繩的拉力,如圖7乙所示.因為三力平衡,所以、的合力與等大反向.由正弦定理得,即,

由圖知不變,由小變大,增大到後再減小,所以據式知先變小後變大,當時,有最小值.

七,拉密原理法

拉密原理:如果在三個共點力作用下物體處於平衡狀態,那麼各力的大小分別與另外兩個力所夾角的正弦成正比.在圖8所示情況下,原理表示式為

例7 如圖9甲所示裝置,兩根細繩拉住乙個小球,保持兩繩之間夾角不變;若把整個裝置順時針緩慢轉動,則在轉動過程中,ca繩拉力大小的變化情況是 ,cb繩拉力大小的變化情況是 .

解析在整個裝置緩慢轉動的過程中,可以認為小球在每一位置都是平衡的.小球受到三個力的作用,如圖9乙所示,根據拉密原理有,由於不變,由逐漸變為,會逐漸變小直到為零,所以逐漸變小直到為零;由於由鈍角變為銳角,先變大後變小,所以先變大後變小.

八、對稱法

研究物件所受力若具有對稱性,則求解時可把較複雜的運算轉化為較簡單的運算,或者將複雜的圖形轉化為直觀而簡單的圖形.所以在分析問題時,首先應明確物體受力是否具有對稱性.

例8 如圖10甲所示,重為g的均勻鏈條掛在等高的兩鉤上,鏈條懸掛處與水平方向成角,試求;(1)鏈條兩端的張力大小.

(2)鏈條最低處的張力大小.

解析 (1)在求鏈條兩端的張力時,可把鏈條當做乙個質點處理.兩邊受力具有對稱性使兩端點的張力f大小相等,受力分析如圖10乙所示.取鏈條整體為質點研究物件.

由平衡條件得豎直方向,所以端點張力為

(2)在求鏈條最低點張力時,可將鏈條一分為二,取一半研究,受力分析如圖10丙所示,由平衡條件得水平方向所受力為即為所求.

九、力矩平衡法

力矩平衡:物體在力矩作用下處於靜止或勻速轉動狀態時,所受力矩達到平衡·力矩平衡條件:一般規定逆時針方向的力矩為正設為,順時針方向的力矩為負設為,則力矩平衡條件為.

例9 如圖1l,ac為豎直牆面,ab為均勻橫樑其重力為g,處於水平位置;bc為支撐橫樑的輕杆,它與豎直方向的夾角為,三處均用鉸鏈連線,則輕杆bc所承受的力為多大?解析以輕杆bc為研究物件,由三力匯交原理可知,橫樑ab對它的作用力一定沿著輕杆bc.再以橫樑ab為研究物件,受力分析如圖11所示,由力矩平衡可得,所以有

由牛頓第三定律可得,輕杆bc所承受的力為

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