競賽3平衡問題探驪ppt課件

1、 穩(wěn)定平衡穩(wěn)定平衡O略微偏離原平衡位略微偏離原平衡位置后能回到原位置置后能回到原位置 不穩(wěn)定平衡不穩(wěn)定平衡略微偏離原平衡位置略微偏離原平衡位置后不能回到原位置后不能回到原位置 隨機平衡隨機平衡能在隨機位置堅持平衡能在隨機位置堅持平衡O對由重力與支持力作用下的平衡對由重力與支持力作用下的平衡 設(shè)計一個元過程，即想象對物體施一微擾，使之稍偏離原平衡位置* * 或從能量角度調(diào)查受擾動后物體重心位置的高度變或從能量角度調(diào)查受擾動后物體重心位置的高度變化，根據(jù)重心是升高、降低還是不變來判別物體本來化，根據(jù)重心是升高、降低還是不變來判別物體本來是穩(wěn)定平衡、不穩(wěn)定平衡或是隨遇平衡；是穩(wěn)定平衡、不穩(wěn)定平衡或是

2、隨遇平衡； 為比較擾動前后物體的受力與態(tài)勢，要作出直觀明晰的圖示；由于對微擾元過程作的是“低細節(jié)的描畫，故常需運用合理的近似這一數(shù)學處置手段 或從受力角度調(diào)查受擾動后重力作用點的側(cè)移量，或從受力角度調(diào)查受擾動后重力作用點的側(cè)移量，即重力對擾動后新支點的力臂，從而判別物體原來的即重力對擾動后新支點的力臂，從而判別物體原來的平衡態(tài)屬于哪一種平衡態(tài)屬于哪一種* *依問題的詳細情況，擇簡而從依問題的詳細情況，擇簡而從* * 如下圖，一個熟雞蛋的圓、尖兩端的曲如下圖，一個熟雞蛋的圓、尖兩端的曲率半徑分別為率半徑分別為a、b且長軸的長度為且長軸的長度為l，蛋圓的一端可以在，蛋圓的一端可以在不光滑的程度面上

3、穩(wěn)定直立求蛋尖的一端可以在一個不光滑的程度面上穩(wěn)定直立求蛋尖的一端可以在一個半球形的碗內(nèi)穩(wěn)定地直立，碗的半徑半球形的碗內(nèi)穩(wěn)定地直立，碗的半徑r需滿足的條件需滿足的條件 調(diào)查質(zhì)心位置的高度變化調(diào)查質(zhì)心位置的高度變化蛋圓在程度面處穩(wěn)定平衡蛋圓在程度面處穩(wěn)定平衡,應(yīng)滿足應(yīng)滿足BAbaClRRla cos2C MNMCM + + 蛋尖在球形碗內(nèi)處穩(wěn)定平衡蛋尖在球形碗內(nèi)處穩(wěn)定平衡,應(yīng)滿足應(yīng)滿足微擾情況下微擾情況下、為小量，為小量， cos2RrR + 1cos2rR 22sin2R 222R bRrRb 整理得整理得1bbR 1bbla 碗的半徑碗的半徑 b laabrl MNO-M CAC B蛋尖在球

4、形碗內(nèi)處穩(wěn)定平衡蛋尖在球形碗內(nèi)處穩(wěn)定平衡,應(yīng)滿足應(yīng)滿足NMNMNMrb 2 2 2NM cosCM sinC M 調(diào)查質(zhì)心位置側(cè)移量調(diào)查質(zhì)心位置側(cè)移量蛋處于穩(wěn)定平衡的條件是蛋處于穩(wěn)定平衡的條件是: :重力對擾動后新支重力對擾動后新支點點N N的力矩可使蛋前往原位，即滿足的力矩可使蛋前往原位，即滿足 sinC MMN Rr rRrb bRrRb 1bbR 1bbla 碗的半徑碗的半徑 b laabrl 222201sincossinab 01sin 0 0 0 0重力對重力對 的力矩使桿繼續(xù)順時針遠離原平衡位置的力矩使桿繼續(xù)順時針遠離原平衡位置!O 不穩(wěn)定平衡不穩(wěn)定平衡abxx 筆不會因滾動而破

5、壞平衡筆不會因滾動而破壞平衡!B1BOA Ca過筆質(zhì)心的橫截過筆質(zhì)心的橫截面面 sin60COa cos60OBa 0tancosOBCO 臨界形狀下臨界形狀下重力作用線重力作用線127 飛檐問題：如下圖，建造屋頂邊緣時，用長飛檐問題：如下圖，建造屋頂邊緣時，用長度為度為L的長方形磚塊，一塊壓著下面一塊并伸出磚長的的長方形磚塊，一塊壓著下面一塊并伸出磚長的1/8，假設(shè)，假設(shè)不用水泥粘緊，那么最多可以堆幾層同樣的磚剛好不翻倒？這樣不用水泥粘緊，那么最多可以堆幾層同樣的磚剛好不翻倒？這樣的幾層磚最多可使屋檐的幾層磚最多可使屋檐“飛出多長？飛出多長？ GL假設(shè)共堆假設(shè)共堆n層、每塊伸出層、每塊伸出1

6、/8的磚而恰未的磚而恰未翻倒翻倒8L8L8L 18LLLn 全全C全全nG728L 7n 123n最上最上1 1層磚恰不翻倒層磚恰不翻倒, ,最多伸出最多伸出2L最上最上2 2層磚恰不翻倒層磚恰不翻倒, ,最多伸出最多伸出2G4L3G最上最上3 3層磚恰不翻倒層磚恰不翻倒, ,最多伸出最多伸出2L24LL G262GLxGGL x6L246LLL G以此類推，以此類推，7層磚的最大伸出層磚的最大伸出max111124614LL 如下圖，一矩形導電線圈可繞其中心軸如下圖，一矩形導電線圈可繞其中心軸O轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動它處于與軸垂直的勻強磁場中，在磁場的作用下，線框開場轉(zhuǎn)動它處于與軸垂直的勻強磁場中，在磁場的

7、作用下，線框開場轉(zhuǎn)動，最后靜止的平面位置是圖中的動，最后靜止的平面位置是圖中的AOBBBOCBODBO不穩(wěn)定平衡不穩(wěn)定平衡穩(wěn)定平衡穩(wěn)定平衡不穩(wěn)定平衡不穩(wěn)定平衡不穩(wěn)定平衡不穩(wěn)定平衡 圖中每一系統(tǒng)的兩個球都用一跨過滑輪的線結(jié)合圖中每一系統(tǒng)的兩個球都用一跨過滑輪的線結(jié)合起來，問每一種情況各屬哪種平衡？起來，問每一種情況各屬哪種平衡？ 隨機平衡隨機平衡穩(wěn)定平衡穩(wěn)定平衡不穩(wěn)定平衡不穩(wěn)定平衡給兩小球線繩系一致擾動給兩小球線繩系一致擾動, ,從受力角度調(diào)從受力角度調(diào)查受擾動后查受擾動后, ,兩小球重力沿繩方向力的合兩小球重力沿繩方向力的合力指向力指向, ,從而判別平衡種類從而判別平衡種類! !llmLm 如

8、下圖安裝，它是由一個長如下圖安裝，它是由一個長L的木釘、從木釘上端向左右斜伸出的木釘、從木釘上端向左右斜伸出兩個下垂的、長為兩個下垂的、長為l的細木桿，以及在木桿的末端裝有質(zhì)量同為的細木桿，以及在木桿的末端裝有質(zhì)量同為m的小重球而組成木釘?shù)男≈厍蚨M成木釘及木桿的質(zhì)量可忽略，木桿與木釘間夾角為及木桿的質(zhì)量可忽略，木桿與木釘間夾角為，此安裝放在硬質(zhì)木柱上，那么，此安裝放在硬質(zhì)木柱上，那么l、L、間間該當滿足該當滿足_關(guān)系才干使木釘由垂直位置略微偏斜后，此安裝只能以關(guān)系才干使木釘由垂直位置略微偏斜后，此安裝只能以O(shè)點為點為支點擺動而不致傾倒支點擺動而不致傾倒 為滿足題意即系統(tǒng)處于穩(wěn)定平衡為滿足題意

9、即系統(tǒng)處于穩(wěn)定平衡, ,給給系一致擾動系一致擾動, , 兩小球重力對兩小球重力對O O的力矩的力矩應(yīng)能使系統(tǒng)回到原位應(yīng)能使系統(tǒng)回到原位! !原平衡位置時原平衡位置時coslL 2mg受一微擾后受一微擾后能回到原位能回到原位coslL 如下圖如下圖,長度為長度為2L、粗細均勻的桿，一端靠在鉛直的墻上，而另、粗細均勻的桿，一端靠在鉛直的墻上，而另一端靠在不動的光滑面上為了使桿即使沒有摩擦仍能在恣意位置處于平衡，試寫出這一端靠在不動的光滑面上為了使桿即使沒有摩擦仍能在恣意位置處于平衡，試寫出這個外表的橫截線的函數(shù)表達式個外表的橫截線的函數(shù)表達式(x) 桿總是位于垂直于墻面的豎直平面內(nèi)桿總是位于垂直于

10、墻面的豎直平面內(nèi) 為滿足題意即桿處于隨遇平衡為滿足題意即桿處于隨遇平衡, ,應(yīng)使桿應(yīng)使桿的重心一直在的重心一直在x x軸軸! !OyxC(0,)(x,y) 22222xyL + +外表的橫截線滿足外表的橫截線滿足 222212xyLL + +該外表為橢球面的一部分該外表為橢球面的一部分 如下圖如下圖,兩個質(zhì)量分別為兩個質(zhì)量分別為m1和和m2的小環(huán)能沿著一光滑的輕繩滑的小環(huán)能沿著一光滑的輕繩滑動繩的兩端固定于直桿的兩端，桿與程度線成角度動繩的兩端固定于直桿的兩端，桿與程度線成角度在此桿上又套一輕小環(huán)，繩穿過在此桿上又套一輕小環(huán)，繩穿過輕環(huán)并使輕環(huán)并使m1、m2在其兩邊設(shè)環(huán)與直桿的接觸是光滑的，當

11、系統(tǒng)平衡時，在其兩邊設(shè)環(huán)與直桿的接觸是光滑的，當系統(tǒng)平衡時， 直桿與輕環(huán)直桿與輕環(huán)兩邊的繩夾角為兩邊的繩夾角為 試證：試證： 2112tantanmmmm m2m1同一光滑繩上張力處處一樣設(shè)為同一光滑繩上張力處處一樣設(shè)為FT,FT,m1gFT兩小環(huán)平衡兩小環(huán)平衡, ,分析受力如圖分析受力如圖: :m2gFT 90 90 由力矢量三角形由力矢量三角形: : 122cos 902cos 90Tm gm gF 12sinsinmm 21sin cossin cossin cossin cosmm 2112tantanmmmm 一根質(zhì)量為一根質(zhì)量為m的均勻桿，長為的均勻桿，長為L，處于豎直的位置，一端

12、可繞固，處于豎直的位置，一端可繞固定的程度軸轉(zhuǎn)動有兩根程度輕彈簧，勁度系數(shù)一樣，把桿的上端拴住，如下圖，問彈定的程度軸轉(zhuǎn)動有兩根程度輕彈簧，勁度系數(shù)一樣，把桿的上端拴住，如下圖，問彈簧的勁度系數(shù)簧的勁度系數(shù)k為何值時才干使桿處于穩(wěn)定平衡？為何值時才干使桿處于穩(wěn)定平衡？ 為使桿處于穩(wěn)定平衡為使桿處于穩(wěn)定平衡, ,給桿一擾動給桿一擾動, ,彈彈簧拉力對簧拉力對O O的力矩應(yīng)大于桿重力矩的力矩應(yīng)大于桿重力矩! !mg FT即即22TLFLmg 其中其中 TFkL 得得4mgkL FT 如下圖如下圖,一塊厚一塊厚d的木板位于半徑為的木板位于半徑為R的圓柱上，的圓柱上，板的重心剛好在圓柱的軸上方板與圓柱

13、的一根摩擦因數(shù)為板的重心剛好在圓柱的軸上方板與圓柱的一根摩擦因數(shù)為試試求板可以處于穩(wěn)定平衡形狀的條件求板可以處于穩(wěn)定平衡形狀的條件 RCC 令板從原平衡位置偏轉(zhuǎn)一小角度令板從原平衡位置偏轉(zhuǎn)一小角度 M M板處于穩(wěn)定平衡條件是重心升高板處于穩(wěn)定平衡條件是重心升高! !2dR 2dcosR 以圓柱軸為參照以圓柱軸為參照, ,原板重心高度原板重心高度coscos2dR 擾動后重心高度擾動后重心高度sinR 應(yīng)有應(yīng)有cossincos22ddRRR 21 2sinsin222ddRRR 2sin2sin22dRR 思索到思索到 很很小小, , s s i i n n2dR 且且1tan 如下圖如下圖,

14、用均勻資料制成的浮子，具有兩個半徑用均勻資料制成的浮子，具有兩個半徑均為均為R的球冠圍成的外形，像一粒豆子浮子的厚度的球冠圍成的外形，像一粒豆子浮子的厚度h2R，質(zhì)量，質(zhì)量為為m1沿浮子對稱軸向浮子插入一細輻條，穿過整個厚度輻條沿浮子對稱軸向浮子插入一細輻條，穿過整個厚度輻條長長lh，質(zhì)量為，質(zhì)量為m2當將浮子輻條向上地浸于水中時，浮子只需當將浮子輻條向上地浸于水中時，浮子只需少部分沒于水中浮子的形狀是穩(wěn)定的嗎？少部分沒于水中浮子的形狀是穩(wěn)定的嗎？ 先由同向平行力合成求浮子重力合力作用點重心位置：先由同向平行力合成求浮子重力合力作用點重心位置：Cm1gm2g2l2hx2121222mlhlhm

15、 g xm gxxmm 由由Cl21222Cmhlhmml 故故浮子偏轉(zhuǎn)小角度浮子偏轉(zhuǎn)小角度21222CmhL hlRmm = =當當1222mLRmRh = =當當浮子為不穩(wěn)定平衡浮子為不穩(wěn)定平衡! !1222mLRmRh 當當浮子為穩(wěn)定平衡浮子為穩(wěn)定平衡! !CCClR若若 CClR若若= =ClR若若 OCmmhR 3 2300g21 6 84g D 有一長為有一長為0.2 m、截面積為、截面積為2 cm2的均勻細棒，密度為的均勻細棒，密度為5102 kg/m3 在細棒下端釘上一小鐵片不計體積，讓細棒豎立在水面，假設(shè)細棒顯在細棒下端釘上一小鐵片不計體積，讓細棒豎立在水面，假設(shè)細棒顯露水面

16、部分的長為露水面部分的長為0.02 m，那么小鐵片質(zhì)量為多少？，那么小鐵片質(zhì)量為多少？ 不拿去浸在水中的小鐵片，在上端要截去多少長度，恰好使上端面與水面不拿去浸在水中的小鐵片，在上端要截去多少長度，恰好使上端面與水面齊平？齊平？ 要使細棒豎在水面是穩(wěn)定平衡，下端小鐵片至少要多重要使細棒豎在水面是穩(wěn)定平衡，下端小鐵片至少要多重?分析此時受力：分析此時受力：CMLSg mg0.9LSg 水水0.9LSgmgLSg 水水 0.9mLS 水水 340.90.5100.2 2 10 kg 16g 此時態(tài)勢為：此時態(tài)勢為：mgC11L Sg 1L Sg 水水11L SgmgL Sg 水水 1mLS 水水3

17、3416 10m=0.5 102 1016cm 4 cmL 系統(tǒng)為穩(wěn)定平衡條件是浮心高于合重心系統(tǒng)為穩(wěn)定平衡條件是浮心高于合重心! !22MLMmMmS 水水即即 340.020.020.10.022 102 10mm min8gmC總C總C總C總不穩(wěn)定平衡不穩(wěn)定平衡隨機平衡隨機平衡穩(wěn)定平衡穩(wěn)定平衡ab 兩個一樣長方體處于圖示位置問當兩個一樣長方體處于圖示位置問當角為多少時它們才角為多少時它們才能夠平衡？長方體與程度面間摩擦因數(shù)為能夠平衡？長方體與程度面間摩擦因數(shù)為，長方體長，長方體長b寬寬a長方體間無摩擦長方體間無摩擦 分析受力：分析受力：G0Ff G0fG F 0fG 1tanab 系統(tǒng)能

18、夠平衡條件是系統(tǒng)能夠平衡條件是在此條件下在此條件下, ,對右物塊由力矩平衡對右物塊由力矩平衡 sincoscos2cosbGF bG b G sin coscos sin2cos cos tan2tan 1tan2ab 在此條件下在此條件下, ,對左物塊由力矩平衡對左物塊由力矩平衡cos2aGF b sinsin 122tanab 111tanmin tan2,2tanaaabbb sin2cosbG 在相互垂直的斜面上放置一勻質(zhì)桿在相互垂直的斜面上放置一勻質(zhì)桿AB，設(shè)各接觸面的摩，設(shè)各接觸面的摩擦角均為擦角均為tg,求平衡時桿求平衡時桿AB與斜面與斜面AO交角交角的范圍知斜面的范圍知斜面BO與程度與程度面交角為面交角為 ABO三力桿平衡時的幾何位置特點三力桿平衡時的幾何位置特點: :不穩(wěn)定平衡不穩(wěn)定平衡桿兩端約束力與重力三力匯交桿兩端約束力與重力三力匯交當當=時時GABOfA=0 fB=0結(jié)論結(jié)論:1O平衡時桿平衡時桿AB與斜面與斜面AO交角交角的范圍為的范圍為 22 當當 時時GOABG-O 90,O AG O AG 90AO G AO G 90902 O GAGO GAG = = 2 2 桿平衡位置與左斜面的夾角桿平衡位置與左斜面的夾角當當 時時GOGAB 90,O AG