力矩平衡條件的應用物理教案
關於殘缺圓盤重心的分析
例1 一個均勻圓盤,半徑爲 ,現在在園盤靠着邊緣挖去一個半徑爲 的圓孔,試分析說明挖去圓孔後,圓盤的重心在何處.
解析:由於圓盤均勻,設圓盤的單位面積的重力爲 ,
爲了思考問題的方便,我們設想在大圓盤的另一側對稱地再挖去一個半徑等於 的小圓,如圖所示,我們要求的是紅色的小圓盤與灰色部分的重心位置,根據對稱性, 一定是大圓圓心 與小圓圓心 連線上,設 ,則 .
如果我們用手指支撐在 點,則這個物體會保持平衡,這兩部分的重心對 點的力矩滿足平衡條件.這兩部分的重力分別是 及 .
可列出力矩平衡方程
解方程,得出: .
關於一端擡起的木杆重力問題
例2 一個不均勻的長木杆,平放在地面上,當我們擡起它的一端(另一端支在地面上),需要用500N的力;如果擡另一端,發現這回需要用800N才能擡起.請分析說明這根木杆的重力是多少?
解析:設木杆長爲 ,重力爲 ,已知擡起 端時用力爲500N,擡起 端時用力大小爲800N.可以假設木杆的重心距 端爲 ,距 端爲 .
擡 端時,以 端點爲軸 由力矩平衡條件可得
擡 端時,以 端點爲軸 由力矩平衡條件可得
聯立上面的兩方程式可得
關於圓柱體滾臺階的問題
例3 如圖所示,若使圓柱體滾上臺階,要使作用力最小,試分析作用力的作用點應作用在圓柱體截面的什麼位置?
解析:根據題意:
在圓柱體滾上臺階的過程中,圓柱體與臺階相接處爲轉動軸.
由固定轉動軸物體的`平衡條件可知:在勻速轉動時圓柱體的重力的力矩應與作用力的力矩相等.又因爲圓柱體的重力和它對轉動軸的力臂是確定的,所以要使作用力最小其力臂一定最長,又因爲轉動軸在圓柱體的邊緣上,作用力的作用點也要在圓柱體的邊緣上,要想作用力的力臂最長就只有圓柱體截面的直徑,如圖;作用力的方向是垂直圓柱體截面直徑向上,如圖所示:
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