使小球在光滑水平面做圆周运动时为什么要套铅直套管?

如题所述



理解有两种情形,第一种情形,绳和小球近似在一个水平面上,请看图1

我们先由果索因,运用逆推的方法。小球作什么运动?小球作匀速圆周运动。作匀速圆周运动的物体必须满足匀速圆周运动的条件——“合外力充当向心力。”那么这个小球,在水平面内,作以O点为圆心的匀速圆周运动,它所受到的向心力必然从小球的质心指向O点。

我们再来分析一下小球的受力情况。我们知道,力是可以分解与合成的。我们将小球的受力分解到水平和垂直两个方向。垂直方向上,重力和支持力大小相等,方向相反,是一对作用力与反作用力。垂直方向上不受其它力的作用。

水平方向上,由于水平面光滑,小球不受支持面的摩擦力,同时为使问题变的简单,我们忽略空气的摩擦力。那么小球在水平面上受到什么力呢?容易知道,小球在水平面上只受到绳的拉力。绳对小球的拉力,从小球的质心指向O点,我们假设在O点处有一个钉子固定住绳的一端。

所以在第一种情况下,问题分析到这里,已经 有了明确的答案。小球所受的合外力充当向心力,小球所受的合外力就等于绳对小球的拉力,所以绳对小球的拉力充当小球作匀速圆周运动的向心力。这是一个简单的逻辑,我们可以对这一逻辑进行验证。一是绳对小球拉力的方向,从小球的质心指向O点,这与向心力的方向,从质心指向O点,完全一致。二是绳对小球的拉力的大小,是不是等于小球围绕O点作匀速圆周运动的向心力的大小一样大?当然,这需要实验验证。

第二种情况,小球在水平面内作匀速直线运动,绳挂在高出。如图2所示:

图2

在第二种情况下,我们需要对绳的拉力进行分解,把它分解到垂直和水平方向上。绳的拉力在垂直方向上的分量为  ,绳的拉力在水平方向上的分量为  ,F是绳的拉力。

我们对小球的受力情况进行完整的分析。垂直方向上,小球受到向下的重力,向上的支持力,同时受到绳向上的拉力,  ,垂直方向上维持静力平衡。水平方向上,小球只受到绳的拉力,方向从质心指向O点,大小为。由第一种情况可知,正是绳的拉力在水平方向的分量,充当了小球作匀速圆周运动的向心力。

因为小球作速度恒定的匀速圆周运动,保持稳定,小球作匀速圆周运动所需要的向心力保持稳定,即的大小和方向保持稳定,此时F保持稳定,  大小保持不变。

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