一个物体在共点力的作用下,如果保持静止或者做匀速直线运动,我们就说这个物体处于平衡状态.受共点力作用的物体,在什么条件下才能保持平衡呢?
从牛顿第二定律知道,当物体所受合外力为零时,加速度为零,物体将保持静止或者做匀速直线运动,即物体处于平衡状态.因此,在共点力作用下物体的平衡条件是合力为零.即
F合=0
作用在物体上几个力的合力为零,这种情形叫做力的平衡.
共点力作用下物体的平衡条件在实际中有广泛的应用.
【例题1】沿光滑的墙壁用网兜把一个足球挂在A点(图甲),足球的质量为m,网兜的质量不计.足球与墙壁的接触点为B,悬绳与墙壁的夹角为α.求悬绳对球的拉力和墙壁对球的支持力.
【例题2】物体A在水平力F1=400N的作用下,沿倾角θ=60°的斜面匀速下.物体A受的重力G=400N,求斜面对物体A的支持力和A与斜面间的动摩擦因数μ.
转动平衡
力可以使物体发生转动.物体转动时,它的各点都做圆周运动,圆周的中心在同一直线上,这条直线叫做转动轴.门、砂轮、机器的飞轮、电动机的转子等,都是有固定转动轴的物体,初中讲过的各种杠杆也属于有固定转动轴的物体,它们都能绕转动轴发生转动.一个有固定转动轴的物体,在力的作用下,如果保持静止,我们称这个物体处于转动平衡状态.
力矩
力越大,力对物体的转动作用就越大,但是力对物体的转动作用,不仅跟力的大小有关,而且跟力和转动轴之间的距离有关.在离转动轴不远的地方推门,用比较大的力才能把门推开;在离转动轴较远的地方推门,用比较小的力就能把门推开.用手直接拧螺帽,不能把它拧紧;用扳手来拧,就容易拧紧了.可见,力越大,力和转动轴之间的距离越大,力的转动作用就越大.
力和转动轴之间的距离,即从转动轴到力的作用线的距离,叫做力臂.右图表示有两个力F1和F2作用在杠杆上,杠杆的转动轴过O点垂直于纸面,L1是F1对转动轴的力臂,L2是F2对转动轴的力臂.力F和力臂L的乘积叫做力对转动轴的力矩.用M表示力矩,则有
M=FL.
力对物体的转动作用决定于力矩的大小,力矩越大,力对物体的转动作用越大.力为零,力矩也为零,显然不会使物体发生转动.力不为零,只要力臂为零,力矩同样为零,这个力对物体就不会有转动的作用.
力矩的单位是由力和力臂的单位决定的.在国际单位制中,力矩的单位是牛·米,符号是N·m.
力矩的平衡
力矩可以使物体向不同的方向转动.上图中力F1的力矩M1使杠杆向逆时针方向转动,力F2的力矩M2使杠杆向顺时针方向转动.如果这两个力矩的大小相等,杠杆将保持平衡,这是我们在初中学过的杠杆平衡条件,是力矩平衡的最简单的情形.那么力矩平衡的一般条件是什么呢?
圆盘可以绕通过中心O并垂直于盘面的轴转动。使圆盘在力F1、F2和F3的力矩作用下处于平衡状态.量出这3个力的力臂L1、L2和L3,分别计算使圆盘向顺时针方向转动的力矩M1=F1L1,M2=F2L2和使圆盘向逆时针方向转动的力矩M3=F3L3.
通过实验可以发现,在误差范围内使圆盘向顺时针方向转动的力矩之和等于使圆盘向逆时针方向转动的力矩之和,即
M1+M2=M3.
可见,如果有多个力矩作用在有固定转动轴的物体上,当所有使物体向顺时针方向转动的力矩之和等于所有使物体向逆时针方向转动的力矩之和时,物体将保持转动平衡.
如果把使物体向逆时针方向转动的力矩定为正力矩,使物体向顺时针方向转动的力矩定为负力矩,则上述结果可表述为:有固定转动轴的物体的平衡条件是力矩的代数和等于零.即
M1+M2=M3……=0,
或者M合=0.
作用在物体上几个力的合力矩为零的情形叫做力矩的平衡.
【例题1】图中的BO是一根质量均匀的横梁,重量G1=80N。BO的一端安在B点,可绕过B点且垂直于纸面的轴转动,另一端用钢绳AO拉着,横梁保持水平,与钢绳的夹角θ=30°。在横梁的O点挂一个重物,重量G2=240N。求钢绳对横梁的拉力F1。
【例题2】一辆汽车重1.2×104N,使它的前轮压在地秤上,测得的结果为6.7×1O3N,汽车前后轮之间的距离是2.7m。求汽车重心的位置。
平衡的种类
你看过走钢丝的杂技表演吗? 你玩过不倒翁吗?钢丝上的杂技演员、儿童玩的不倒翁都是在重力和支持力的作用下处于平衡状态,但是钢丝上的演员稍有不慎就会摔下来,不倒翁扳倒后却会自动立起来。可见,平衡也是有区别的.那么平衡有哪些种类呢?下面让我们用实验来研究这个问题.
照图甲那样,把木条一端的小孔套在水平轴O上,把木条从平衡位置稍微移开一点,重心C的位置升高,重力对轴O的力矩就会使它回到原来的平衡位置,这种平衡叫做稳定平衡。
照图乙那样,使木条的重心恰好在水平轴的正上方,木条处于平衡状态。把木条从平衡位置稍微移开一点,重心C的位置降低,重力对轴O的力矩就会使它继续远离平衡位置,这种平衡叫做不稳定平衡。
照图丙那样,把木条重心C处的小孔套在轴O上,这时无论你把木条放在什么位置,它都能保持平衡。这是因为重心C的位置没有改变,重力对轴O的力矩不变的缘故,这种平衡叫做随遇平衡。
可见,物体在重力和支持力作用下的平衡可以分为稳定平衡、不稳定平衡和随遇平衡。物体稍微偏离平衡位置,如果重心升高,就是稳定平衡;如果重心降低,就是不稳定平衡;如果重心的高度不变,就是随遇平衡。
不倒翁的底部是较重的泥块或铁块,上部是空的,竖立的时候重心位置最低(图4—14乙),无论怎样扳动它,它的重心都要升高,所以总会自动立起来。
钢丝上的杂技演员常能通过自身的调整处于不稳定平衡,正是凭借这种难以掌握的高超技艺,才赢得了观众的阵阵掌声。
机器上高速旋转的部件,如电动机的转子、汽轮机的叶轮,都必须调整为随遇平衡,不然运转起来就会产生振动,使机器损坏。
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稳度
平放的砖和竖放的砖都处于稳定平稳状态,稍微离开平衡位置,重心都升高,但是它们的稳定程度不同。竖放的砖容易翻倒,而平放的砖不容易翻倒。我们把物体的稳定程度叫做稳度。
可以看出,平放的砖重心低、面积大,只有使它偏转很大的角度,它的重力作用线才会超出支持面,使砖向外翻倒。竖放的砖重心高、底面积小,只要偏转不大的角度,重力作用线就会超出支持面,使砖翻倒。可见,物体的重心越低,底面积越大,稳度越大。
增大物体的稳度有重要的实际意义。为了增大物体的稳度,既可以增大底面的面积,也可以降低重心的高度,还可以同时增大底面面积和降低重心的高度。实验用的天平安置在一个底面面积较大而又较重的底座上,实验用的铁架有一个面积较大的铸铁座,照相机安放在支面相当大的三脚架上,高压输电线的铁塔有一个很大的支持面,越野汽车和山区的拖拉机车轮之间的宽度较大,都是为了增大物体的稳度。