
两根长圆柱轴完全相同、轴线在同一面内,且平面与水平面夹角为θ=30°。现将一个大的匀质圆柱体放置两轴之间,且大圆柱体轴线分别与两长圆柱体轴的轴线形成的两个平面夹角为α=60°。试求解以下问题:
一、若大圆柱体恰好静止在轴上,可认为滑动摩擦力与最大静摩擦力相等,则大圆柱体与轴之间的动摩擦因数μ应满足什么条件?
二、已知某种材质的大圆柱体与轴的动摩擦因数μ=2。某一时刻,左侧轴做逆时针转动,同时右侧轴做顺时针转动,两轴转动时边缘处的线速度大小均为v=3m/s,则由于大圆柱体受力发生变化造成其将沿轴下滑,求大圆柱体下滑稳定时的速度。
一:
$$2F_Ncos{\frac{\alpha}{2}}=mgcos{\theta}$$
$$2F_f=mgsin{\theta}$$
$$F_f\leq\mu F_N$$
$$\mu\geq0.5$$
二:
$$2f_1sin{\frac{\alpha}{2}}+2F_Ncos{\frac{\alpha}{2}}=mgcos{\theta}$$
$$2f_2=mgsin{\theta}$$
$$\sqrt{{f_1}^2+{f_2}^2}=\mu F_N$$
$$45\frac{f_2}{f_1}+\frac{f_1}{f_2}=16\sqrt{3}$$
得$$\frac{f_2}{f_1}=\frac{\sqrt{3}}{3}$$或$$\frac{1}{15\sqrt{3}}$$
$$\frac{v_1}{v_2}=\frac{f_1}{f_2}$$
$$v_2=\sqrt{3}$$m/s 或$$\frac{\sqrt{3}}{15}$$m/s
对于上面的解,洪诚天同学检测到第二个结果对应的$$F_N$$是负的。(柱体和轨道有磁性吸引的话?)
如果直接引入两个摩擦力的夹角$$\beta$$
代入$$f_1=\mu F_Nsin\beta$$ $$f_2=\mu F_Ncos\beta$$,转化成正切计算同样会出现上述问题,$$x^2-16\sqrt{3}x+45=0$$,得$$\sqrt{3}$$或$$15\sqrt{3}$$(增根的出现应是平方导致忽视了支持力为正的隐含条件…)
而求解$$cos\beta$$,会直接检验出增根,$$52x^2+4\sqrt{3}x-45=0$$得$$\frac{\sqrt{3}}{2}$$或$$-\frac{15\sqrt{3}}{26}$$(舍)。
洪同学很聪明,特地设定:
$$f_1=\mu F_Ncos\varphi$$ $$f_2=\mu F_Nsin\varphi$$(前面$$\beta$$的余角),化简后方程相对友善:
$$52x^2-24x-1=0$$
求解$$sin\varphi=\frac{1}{2}$$或$$-\frac{1}{26}$$(舍)
所以$$v_2=\sqrt{3}$$m/s
课代表艺博问起五校联考的这道题目,说是学习认真的阿城发现答案有问题,洪同学提供了简洁的做法。吃过晚饭用GeoGebra构造了个立体模型,偷懒用wolframalpha解了方程…
补充一道常规题[?](150、0.6、480)