生活中的圓周運動,豎直面內的情況應如何處理?

2020-12-05 高中物理知識

拱形橋和凹形橋

道路要橫過河流的時候,常常需要一座橋梁,現實中橋梁有各種各樣,但從外形來看可分為三種情況:平橋、拱形橋、凹形橋。

汽車、摩託車、自行車等交通工具通過橋梁的時候,從受力情況的分析,平橋與水平路面幾乎沒什麼差別,我們暫時不討論;而交通工具通過拱形橋、凹形橋的時候,我們可以把車的運動看做豎直面內的圓周運動。

汽車在拱形橋最高點和凹形橋的最低點時受重力和支持力,向心力由重力與支持力的合力提供

對於拱形橋,有:

對於凹形橋,有:

經過移項可得出汽車對路面的壓力,並且可以比較兩種情況下,相同速度是,同一輛汽車對路面的壓力。

有些同學對這兩種情況很容易搞不清楚哪跟哪,不知道要列上面哪個式子好。其實大家只要把它看做一個圓周運動,所受的合力必須指向軌跡(圓)的圓心,經過拱形橋的時候圓心是在下方,經過凹形橋的時候圓心在路面的上方。

拱形橋的圓心在下方,重力向下(指向圓心),所以合力是重力減去支持力;凹形橋圓心在上方,支持力向上(指向圓心),所以合力是支持力減去重力。

從汽車對橋面的壓力情況來看,我們可以看出:相同汽車和貨物、相同速度的情況下,拱形橋受到的壓力會比較小,所用材料節省一些。所以大多數橋梁都建成拱形橋。

當然還有另一個原因是,河流需要讓船隻通航,拱形橋的中間能讓更大的船隻通過。

凹形橋主要出現在水庫放水閘下面的過水路面。可以方便水庫放排水。其它路面極少出現凹形橋。

類似拱形橋和凹形橋,雜技水流星中,水流的受力情況大概可以類似分析。我們把它簡化成一個小球的情況。

例題.一個質量為m的小球,用一長為R的輕質細繩的一端拴住,細繩的另一端固定,求:小球在豎直平面內作圓周運動過最高點的條件。

小球(水)速度太小

小球(水)就會掉下來,不能順利地做圓周運動。

離心運動

做圓周運動的物體,在所受合外力突然消失或不足以提供圓周運動所需向心力時,就做逐漸遠離圓心的運動,這種運動就叫離心運動。

練習:

1.太空人在圍繞地球做勻速圓周運動的空間站中處於完全

失重狀態,下列說法正確的是( )A.太空人仍受重力的作用

B.太空人受力平衡

C.太空人受的重力等於所需的向心力

D.太空人不受重力的作用

2.一輛卡車在丘陵地帶勻速行駛,地形如圖所示,由於輪胎太舊,爆胎可能性最大的地段應是(  )

3.下列關於離心現象的說法正確的是(  )

A.當物體所受的離心力大於向心力時產生離心現象

B.做勻速圓周運動的物體,當它所受的一切力都消失時,它將做背離圓心的圓周運動

C.做勻速圓周運動的物體,當它所受的一切力都突然消失時,它將沿切線做直線運動

D.做勻速圓周運動的物體,當它所受的一切力都突然消失時,它將做曲線運動

4.一輛質量為800 kg的汽車在圓弧半徑為50 m的拱橋上行駛.求:(g取10 m/s2)(1)若汽車到達橋頂時速度為v1=5 m/s,汽車對橋面的壓力是多大?

(2)汽車以多大速度經過橋頂時,恰好對橋面沒有壓力而騰空?

(3)汽車對橋面的壓力過小是不安全的,因此汽車過橋時的速度不能過大.對於同樣的車速,拱橋圓弧的半徑大些比較安全,還是小些比較安全?

(4)如果拱橋的半徑增大到與地球半徑一樣大,汽車要在橋面上騰空,速度至少為多大?(已知地球半徑為6 400 km)

參考答案:1.AC 2.D 3.C

4.

(2)汽車經過橋頂時恰好對橋面沒有壓力而騰空,則N=0,即汽車做圓周運動的向心力完全由其重力來提供,所以

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