水平轉盤模型——誰先被甩出去?

問題思考

在如圖所示的“離心轉盤遊戲”中,遊客與轉盤之間的滑動摩擦係數近似相同,假設最大靜摩擦力等於滑動摩擦力。則當轉盤旋轉的時候,更容易發生側滑而向外偏離圓周軌道的是哪些遊客呢?

水平轉盤模型——誰先被甩出去?

要解決這個問題,我們有必要先研究一下“水平轉盤模型”的特點。

轉盤模型

如圖所示,物體隨水平圓盤轉動時,向心力由靜摩擦力提供,即Ff=m·ω2·r

水平轉盤模型——誰先被甩出去?

當物體剛要滑動時有Ff=μmg

解得,物體剛要被甩出去的臨界角速度

水平轉盤模型——誰先被甩出去?

從以上表達式可以看出:

(1)臨界角速度ω與物體的質量無關;

(2)物體離中心O越遠,半徑r越大,ω越小,就越容易被甩出去.

所以,更容易發生側滑而偏離圓軌道的,不是質量大的遊客,而是離轉動中心遠一些的遊客。

拓展延伸

如圖所示,兩個相同的小木塊A和B(均可看作為質點)),質量均為m.用長為L的輕繩連接,置於水平圓盤的同一半徑上,A與豎直軸的距離為L,此時繩子恰好伸直無彈力,木塊與圓盤間的最大靜摩擦力為木塊所受重力的k倍,重力加速度大小為g.若圓盤從靜止開始繞轉軸緩慢地加速轉動,用ω表示圓盤轉動的角速度,下列說法正確的是( )

水平轉盤模型——誰先被甩出去?

A.木塊A、B所受的摩擦力始終相等

B.木塊B所受摩擦力總等於木塊A所受摩擦力的兩倍

水平轉盤模型——誰先被甩出去?

【解答】當角速度較小時,木塊A、B均靠靜摩擦力提供向心力,由於B轉動的半徑較大,則B先達到最大靜摩擦力,隨著角速度的繼續增大,繩子將出現拉力,當A的靜摩擦力達到最大時,若角速度再增大,則A、B開始發生相對滑動,所以B的靜摩擦力方向一直指向圓心,在繩子出現張力前,A、B的角速度相等,半徑之比為1:2,則靜摩擦力之比為1:2,當繩子出現張力後,A、B的靜摩擦力之比就不是1:2了,故選項A、B錯誤;

當繩子剛開始產生拉力時,對B有kmg=m•ω2•2l

水平轉盤模型——誰先被甩出去?

當A、B開始滑動時

對A有:kmg﹣T=ml•ω′2

對B有:T+kmg=m•2l•ω′2

水平轉盤模型——誰先被甩出去?


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