物理竞赛课件3：平衡问题探骊

稳定平衡♠O稍微偏离原平衡位置后能回到原位置不稳定平衡♠稍微偏离原平衡位置后不能回到原位置随机平衡♠能在随机位置保持平衡O对由重力与支持力作用下的平衡设计一个元过程，即设想对物体施一微扰，使之稍偏离原平衡位置．*或从能量角度考察受扰动后物体重心位置的高度变化，根据重心是升高、降低还是不变来判断物体原本是稳定平衡、不稳定平衡或是随遇平衡；为比较扰动前后物体的受力与态势，要作出直观明晰的图示；由于对微扰元过程作的是“低细节”的描述，故常需运用合理的近似这一数学处理手段．或从受力角度考察受扰动后重力作用点的侧移量，即重力对扰动后新支点的力臂，从而判断物体原来的平衡态属于哪一种．*依问题的具体情况，择简而从．*如图所示，一个熟鸡蛋的圆、尖两端的曲率半径分别为a、b且长轴的长度为l，蛋圆的一端可以在不光滑的水平面上稳定直立．求蛋尖的一端可以在一个半球形的碗内稳定地直立，碗的半径r需满足的条件．专题3-问题1考察质心位置的高度变化蛋圆在水平面处稳定平衡,应满足BAbaClRRla低细节描述cos2CMNMCM+蛋尖在球形碗内处稳定平衡,应满足微扰情况下α、β为小量，cos2RrR+1cos2rR22sin2R222RbRrRb整理得1bbR1bbla碗的半径blaabrl续解MNOα-βMCAβCBα蛋尖在球形碗内处稳定平衡,应满足NMNMNMrb222NMcosCM续解sinCM续解考察质心位置侧移量蛋处于稳定平衡的条件是:重力对扰动后新支点N的力矩可使蛋返回原位，即满足低细节描述sinCMMNRrrRrbbRrRb1bbR1bbla碗的半径blaabrl如图所示，杆长l=a+b,质心在C点,杆的A、B两端分别支于互相垂直的两个光滑斜面上而处于平衡.试问在图示位置时,此杆的平衡是稳定平衡、随遇平衡还是不稳定平衡？并证明之.专题3-问题2先研究三力杆平衡时的几何位置特点:ABabφ0αCO在△BOC中由正弦定理:00sinsinsin90abbα00cossinsinabb000coscossinsinsinsinabb00coscossinsinab0cossntaniba证明FAFBG元贝驾考驾考宝典2016科目一科目四考察质心位置的高度变化ABφαCy扰动后当杆处于与右斜面成夹角φ方位时cossinsinyabbsincoscossinab222222222222sincossincoscossinsincossincosabababab22221cossincoscostansinbabaa已有结论22220sincoscosab0当时质心C的高度有最大值22ax22msincosyab受扰动后杆质心降低,属不稳定平衡续解考虑质心对杆的瞬时转动中心的侧移量φ0αABCOC1原平衡位置时杆的瞬时转动中心为O如示扰动后杆的瞬时转动中心为O′Oxx此时,重力对O的力矩为0此时,1cosxab11coscossinsinxab11coscossinsinxxba则10222201sincossinab01sin00重力对的力矩使杆继续顺时针远离原平衡位置!O不稳定平衡abxx1如图所示，课桌面与水平面夹角成α，在桌面上放一支正六棱柱形铅笔，欲使铅笔既不向下滚动、又不向下滑动．试求：⑴在此情况下铅笔与桌面的静摩擦因数μ．⑵铅笔的轴与斜面母线（斜面与水平面的交线）应成多大的角度放置？专题3-问题3考虑不滑动铅笔在斜面上恰不滑动,有maxsincosmgfmg=tan摩擦角恰为斜面倾角αφ若满足tan笔不会因滑动而破坏平衡!考虑不滚动低细节描述笔所受重力作用线不超出斜面对笔的支持面!应满足3tan2cos2aacotcos3放置笔时笔的轴线与斜面母线所成角1cotcos3笔不会因滚动而破坏平衡!B1BOAαCa过笔质心的横截面sin60COacos60OBa0tancosOBCO临界状态下续解重力作用线127飞檐问题：如图所示，建造屋顶边缘时，用长度为L的长方形砖块，一块压着下面一块并伸出砖长的1/8，如果不用水泥粘紧，则最多可以堆几层同样的砖刚好不翻倒？这样的几层砖最多可使屋檐“飞”出多长？专题3-问题4GL若共堆n层、每块伸出1/8的砖而恰未翻倒8L8L8L18LLLn全C全nG728L7n123n最上1层砖恰不翻倒,最多伸出2L最上2层砖恰不翻倒,最多伸出2G4L3G最上3层砖恰不翻倒,最多伸出2L24LLG262GLxGGLx6L246LLLG以此类推，7层砖的最大伸出max111124614LL如图所示，一矩形导电线圈可绕其中心轴O转动．它处于与轴垂直的匀强磁场中，在磁场的作用下，线框开始转动，最后静止的平面位置是图中的AOBBBOCBODBO不稳定平衡稳定平衡不稳定平衡不稳定平衡图中每一系统的两个球都用一跨过滑轮的线联结起来，问每一种情况各属哪种平衡？随机平衡稳定平衡不稳定平衡给两小球线绳系统一扰动,从受力角度考察受扰动后,两小球重力沿绳方向力的合力指向,从而判断平衡种类!llmLαm如图所示装置，它是由一个长L的木钉、从木钉上端向左右斜伸出两个下垂的、长为l的细木杆，以及在木杆的末端装有质量同为m的小重球而组成．木钉及木杆的质量可忽略，木杆与木钉间夹角为α，此装置放在硬质木柱上，则l、L、α间应当满足______________关系才能使木钉由垂直位置稍微偏斜后，此装置只能以O点为支点摆动而不致倾倒．为满足题意即系统处于稳定平衡,给系统一扰动,两小球重力对O的力矩应能使系统回到原位!原平衡位置时coslL受一微扰后ααO2mg不能回到原位原平衡位置时coslL2mg受一微扰后能回到原位coslL如图所示,长度为2L、粗细均匀的杆，一端靠在铅直的墙上，而另一端靠在不动的光滑面上．为了使杆即使没有摩擦仍能在任意位置处于平衡，试写出这个表面的横截线的函数表达式Ｙ(x)（杆总是位于垂直于墙面的竖直平面内）为满足题意即杆处于随遇平衡,应使杆的重心始终在x轴!OyxC(0,)(x,y)22222xyL+表面的横截线满足222212xyLL+该表面为椭球面的一部分如图所示,两个质量分别为m1和m2的小环能沿着一光滑的轻绳滑动．绳的两端固定于直杆的两端，杆与水平线成角度θ．在此杆上又套一轻小环，绳穿过轻环并使m1、m2在其两边．设环与直杆的接触是光滑的，当系统平衡时，直杆与轻环两边的绳夹角为φ．试证：2112tantanmmmmm2θm1同一光滑绳上张力处处相同设为FT,m1gφφFT两小环平衡,分析受力如图:m2gFT9090由力矢量三角形:122cos902cos90TmgmgF12sinsinmm21sincossincossincossincosmm2112tantanmmmm一根质量为m的均匀杆，长为L，处于竖直的位置，一端可绕固定的水平轴转动．有两根水平轻弹簧，劲度系数相同，把杆的上端拴住，如图所示，问弹簧的劲度系数k为何值时才能使杆处于稳定平衡？为使杆处于稳定平衡,给杆一扰动,弹簧拉力对O的力矩应大于杆重力矩!mgFT即22TLFLmg其中TFkL得4mgkLFT如图所示,一块厚d的木板位于半径为R的圆柱上，板的重心刚好在圆柱的轴上方．板与圆柱的一根摩擦因数为μ．试求板可以处于稳定平衡状态的条件．RCC令板从原平衡位置偏转一小角度αMαM板处于稳定平衡条件是重心升高!2dR2dcosR以圆柱轴为参照,原板重心高度coscos2dR扰动后重心高度αsinR应有cossincos22ddRRR212sinsin222ddRRR2sin2sin22dRR考虑到很小,sin2dR2222dRR且1tan如图所示,用均匀材料制成的浮子，具有两个半径均为R的球冠围成的外形，像一粒豆子．浮子的厚度h＜2R，质量为m1．沿浮子对称轴向浮子插入一细辐条，穿过整个厚度．辐条长l＞h，质量为m2．当将浮子辐条向上地浸于水中时，浮子只有少部分没于水中．浮子的状态是稳定的吗？先由同向平行力合成求浮子重力合力作用点－重心位置：Cm1gm2g2l2hx2121222mlhlhmgxmgxxmm由Cl21222Cmhlhmml故浮子偏转小角度低细节描述21222CmhLhlRmm=当1222mLRmRh=当浮子为不稳定平衡!1222mLRmRh当浮子为随遇平衡!1222mLRmRh当浮子为稳定平衡!至题9CC续解ClR若CClR若=ClR若CC有一长为0.2m、截面积为2cm2的均匀细棒，密度为5×102kg/m3．⑴在细棒下端钉上一小铁片（不计体积），让细棒竖立在水面，若细棒露出水面部分的长为0.02m，则小铁片质量为多少？⑵不拿去浸在水中的小铁片，在上端要截去多少长度，恰好使上端面与水面齐平？⑶要使细棒竖在水面是稳定平衡，下端小铁片至少要多重?⑴分析此时受力：CMLSgmg0.9LSg水0.9LSgmgLSg水0.9mLS水340.90.5100.2210kg16g⑵此时态势为：mgC11LSg1LSg水11LSgmgLSg水1mLS水3341610m=0.51021016cm4cmL⑶低细节描述系统为稳定平衡条件是浮心高于合重心!22MLMmMmS水即340.020.020.10.02210210mm2021gmmin8gmC总至题11C总C总C总不稳定平衡随机平衡稳定平衡续解当θ＜α时αGOABθGφφ-δO90,OAGOAG90AOGAOG9090α2OGAGOGAG=fA=fmfA=fmOfA=fmfB＜fmOfB=fmfA＜fm,OBGBOGOGBG2φ2杆平衡位置与左斜面的夹角续解