Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
учебник по физике.docx
Скачиваний:
5
Добавлен:
01.07.2025
Размер:
4 Мб
Скачать
☆

Задача 5.3

На наклонной плоскости, составляющей уголс горизонтом, в покое находится цилиндр высотойH, радиусом окружности основа- нияR.Определитьточкуприложениякцилиндрусилыреакцииопо- рыиусловиепокояцилиндравзависимостиотугланаклонаплоско- сти, если коэффициент трения о плоскость равенk.

Дано:R;�H;k.Найти:N,.

Под нарушением покоя цилиндра на наклонной плоскости по- нимают два процесса: падение цилиндра на наклонную плоскость и

скольжениееговдольн�аклоннойплоскости�.

Пусть нормальнаяNи горизонтальнаяFтр— составляющие силы

реакции опоры приложены в произвольной точке поверхности ци-

Цилиндр

а

Fтр

Z б в

линдра,соприкасающейсясопорой(наклоннойплоскостью)нарас-

стоянииxотточкиО.Запи�шем�усл�овияравновесия(5.4)и(5.6).

NPFтр0, (1)

� � �

MNMPMтр0. (2)

Найдем условия, когда цилиндр не падает на наклонную плос- кость. Так как все силы, приложенные к цилиндру, действуют в од- ной плоскостиXOY, то векторное равенство (2) можно заменить на равенство проекций на осьz

MNz+MPz+Mтрz=0. (3)

Определим моменты всех сил, например относительно точкиО. Этовозможно,таккакпредполагается,чтосуммасил,приложенный ктелу,равна нулю.Тогда

MPz=0, (4)

Mтрz=0. (5)

так как линии действия этих сил проходят через точкуО(плечи сил равны нулю). Следовательно,

MNz+MPz+MNz=MNz=0. (6)

Таккак сила

�

Nвращает тело относительно точкиОпротив ча-

совой стрелки, то

MNzNx.

Тогдаили

MNz=N·x=0 (7)

x=0. (8)

Следовательн�о,еслителонаходитсявравновесии,тонормальнаясоставляющаяNсилы реакции опоры всегда приложена к точкеО—

точкепересечениялиниидействиясилытяжестисопорой(на�клон-

ной плоскостью). Следовательно, точка приложения силыNдви-

жется к краю цилиндра при увеличении угла наклона. Это усло- вие определяет предельно возможное положение равновесия тела на

наклонной плоскости (рис. б). Если линия дейст�вия силы тяжести

выйдет за край тела (а точка приложения силыNпо физическому

смыслу не может выйти за область соприкосновения тела с опорой), то тело обязательно перевернется, так как теперь проекции момен- тов всех сил относительно точкиОравны (рис. в)

MNz=0,Mтрz=0,MPz=mgx (9)

и

MNz+MPz+Mтрz=MPz0. (10)

Это означает, что цилиндр обязательно упадет вправо на наклон-

ную плоскость. Таким образом, максимально возможный угол на- клона плоскости к горизонту0, когда тело еще находится в равно- весии (рис. б), равен

tg

R2R

(11)

H

01

H

и 2

arctg2R. (12)

0 H

Найдемусловия,когдацилиндрнескользитпонаклоннойплос- кости.Из(1)следует,что

Nx+Px+Fтрx=0, (13)

Ny+Py+Fтрy=0. (14)

Определяя проекции всех сил (рис. г) на соответствующие оси ко- ординат, получаем

Nx=0,Px=mgsin,Fтрx=–Fтр, (15)

Nx=N,Py=–mgcos,Fтрy=0. (16)

5.3. Поступательное движениетвердоготела 287

Подставим (15) и (16) в (13) и (14). Тогда имеем

Fтр–Fтр=0, (17)

N–mgcos=0. (18)

Пусть сила трения покоя достигает своего максимального значе- ния при некотором угле наклона1, т. е.Fтр=kN. Тогда выразимNиз

(18) и подставим вFтр(17). Таким образом,

mgsin1=Fтр=kN=kmgcos1

или

tg1=k. (19)

Следовательно, равновесие цилиндра на наклонной плоскости на- рушается тогда, когда угол наклонной плоскости с горизонтом:

0

arctg2R(падение),

H

1arctg(k)(скольжения).

Если2Rk,то приувеличении угла наклонной плоскостиотнуля

H

цилиндрупадетнанее,еслиk

2R

2R,тоонпоедетпонаклоннойплос-

H

кости. Еслиk

H

,то одновременно упадет и поедет.

Ответ: тело находится в равновесии на наклонной плоскости, если

min{arctg2R, arctg(k)}.

H