滑轮(带摩擦力)如何满足平衡?


4

在图中显示:

在此输入图像描述

假设有一个人施加力以便使用缠绕在无摩擦滑轮上的绳索支撑箱子(系统处于平衡状态且没有任何动作)F

现在,如果我们想要绘制滑轮的自由体图,它将如下所示:

在此输入图像描述

我们知道因为滑轮是无摩擦的,我们可以使用关于点A =零的力矩求和(假设逆时针正)来检查这是真的。 T1=T2

T2rT1r=0T2T1=0T2=T1

现在如果滑轮不是无摩擦的(滑轮和绳索之间存在摩擦力),那么人必须施加更大的力才能支撑箱子(因为你正在支撑箱子,你的一些力量因摩擦力而消散)(这里的系统也处于平衡状态)。这意味着大于,但这种情况不满足平衡方程(关于点A =零的矩的总和),因为T1T2T1>T2

在分析这两种情况时,我的错误是什么?

这是我的静力学书中的一个解决的例子 在此输入图像描述

Answers:


2

你在想摩擦错了。

摩擦反对相对运动。如果滑轮上有摩擦,为什么男人必须拉得更厉害?

在棘轮怪胎的帮助下,我已经清理了其余部分。摩擦是反对运动。如果您施加的力()与质量的重量相同(),则没有相对运动试图反对:FaFm=mg

T1=Fa=T2=Fm=mg

如果但是那么它仍然可以平衡为:Fa<FmFmFaFfstatic

T1=Fa=T2Ffstatic=mg

这意味着如果有摩擦,你实际上需要施加较小的力。

我勾画了一个FBD,以帮助说明时刻和一切将如何平衡。请注意,这是近似的,因为摩擦力实际上会在绳索的接触面上展开。另请注意,我认为您通常不会担心绳索滑轮界面的摩擦。我相信滑轮中的轴承通常会抵抗,因为理想情况下滑轮实际上是随绳索旋转的。

自由身体图


评论不适用于扩展讨论; 这个对话已经转移到了聊天中
航空

1

有两种可能的摩擦源,而不是一种 - 如果不清楚,你可能会感到困惑。让我们从基础开始吧。

首先,绳索可以自由滑动,或经受摩擦,在滑轮上滑动。第二(我知道你的问题有点说“忽略这个”)滑轮可以自由转动或在支撑它的杆上经受摩擦滑动。我们将把这两种摩擦源视为就绳索而言就像是一种来源一样,但重要的是要注意它可能存在并且可能需要仔细考虑。

(第三点是滑轮本身的角动量/惯性矩,如果滑轮很重并且当绳索在其上移动时需要很大的能量开始转动,但我们也会忽略它,并假设轻量化滑轮。)

我这里没有绘图软件,但你的答案是这样的:

基本方程: 净力=质量×加速度。()F=mA

盒子上的力量

有2个力作用在盒子上。由于重力(称为)向下的力,弦中的张力(称为)向上。盒子处于平衡以便。由于重力作用在质量上的力是,因此很容易计算为。因为盒是处于平衡状态,,在帘线的张力,是相同的,因为这在尺寸,所以。WTW=TmmgWW=mgTT=W=mg

作用在绳索上的力/绳索中的张力

绳索(这个级别的问题通常略微简化)也处于平衡状态,因此从绳索的角度来看,它会经历三种力量,这也是平衡的。在一端,箱子的力,在另一端,由于人拉动而在中间的力,来自与滑轮接触的任何静态摩擦力(当绳索不移动时存在)。可能有一些,或没有。但是,如果存在摩擦力,它将抵抗绳索的移动,因此它将以相反的方式行动,否则绳索将以其他方式移动。

平衡条件

假设滑轮可以由于摩擦而在绳索上施加力,达到牛顿的量。然后会发生什么:N

那个男人用力拉。但是电线处于平衡状态。拉力和箱子重量的净力是,因为它处于平衡状态,所以必须“足够小”,在和之间,否则摩擦不能提供足够的力来平衡它和它不会保持平衡。FFW+NN

所以记住,条件是:W=mg

NFm.gN

在所有条款中添加:mg

mgNFmg+N

并将其拆分为不同的条件并重新安排:

FmgN Fmg+N

我们不能做得更多,因为在这个问题中,人类维持平衡所需的力量取决于两件事 - 箱子的质量,以及由于摩擦可能产生的最大力量,我们没有任何信息可以工作其中任何一个都是进一步的。

所以用简单的英语说的是,人必须施加的力,需要与 “足够接近” ,摩擦可以提供平衡所需的其余平衡力。如果摩擦没有提供力()那么你得到,这是无摩擦滑轮的精确解决方案。mgN=0F=mg


有4个作用在绳索上的力,第四个是法向力(由绳索上的滑轮施加),是真的吗?
Eman.suradi 2017年

是的,但情况使它变得无关紧要。搁在滑轮上的绳索在所有接触点处除了与滑轮相切之外没有任何移动自由度,因为任何法向力发生的点都不能通过设置的性质在正常方向上移动(因为这意味着它们会沉入滑轮,移动滑轮或从滑轮上浮起)。因此,法线必须始终保持平衡,摩擦或无摩擦。因此,由于张力,任何运动或不平衡力必须仅切向=>。
Stilez 2017年
By using our site, you acknowledge that you have read and understand our Cookie Policy and Privacy Policy.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.