原状态: 两平行直木棍 AB 和 CD 在同一水平面上,工件 P(圆柱)架在它们之间,在水平推力 F 作用下匀速运动。
工件 P 在水平方向受两个力:推力 F(向右),以及两个棍子的摩擦力 fA,fB(向左,假设两根棍对称,每根棍提供摩擦力 f),由于工件是圆柱且两棍对称,水平方向平衡:
F=2f⇒f=2F.
竖直方向:重力 mg 向下,被两根棍的弹力 N 支持,对称。
2Ncosθ=mg
其中 θ 是木棍对工件的支持力与竖直方向的夹角?得仔细画一下。
正确几何分析(画草图描述): 两棍水平平行,工件横放在它们上面,接触点在棍的上侧,一个在左侧(A棍)、一个在右侧(B棍)?不,应是工件左右两侧各接触一根棍,因为木棍是固定的水平平行于平面,从横截面看:两根木棍是平行于平面的,所以俯视图是并排的两条直线。 题中“两根直木棍 AB 和 CD 相互平行,固定在同一个水平面上”就是它们在水平面上并排放着,它们之间距离固定,工件横架在两棍之间,意味着工件横跨两棍,截面图:
因此,在横截面(垂直于工件轴线)中,两根棍(其实截面是圆点)与工件的圆(截面圆)接触,两棍中心在水平面上,设它们的圆心 CA,CB 距离 2a(a 为半间距),竖直方向高度一样。 工件圆心 O 在它们上方,圆半径 R,棍的圆半径忽略不计(点接触)。接触点的法线方向是由棍点指向工件圆心 O。
设工件圆心高度为 h(水平面上 h > 0),两根棍对称于过 O 的竖直线。 在横截面中: CA 在左,CB 在右,CAO=CBO=R(因为接触点就是棍与工件外表面切点,距离圆心 R),CA 与 CB 的水平距离为 2a,竖直高度 0。O 的坐标 (0,h)。
则从 CA=(−a,0) 到 O=(0,h) 的距离:
R=a2+h2
.
由勾股:
h2=R2−a2.
2. 弹力及滑动摩擦
工件水平匀速时,接触点相对棍滑动(动摩擦),摩擦力 f=μN,方向沿棍(水平),垂直于纸面。不对——在横截面,摩擦力是沿工件的切向,但在轴向(x 方向)还是 y 方向? 棍是水平方向(平行于 x 轴?不,x 方向指运动方向——题里说水平推力 F 向右,假设 x 方向向右,那么木棍 AB 与 CD 是平行于这个 x 方向的直线吗? 不对,它们固定在水平面,可以是平行于 y 轴? 我们推理:
题意:两个木棍 AB 与 CD 平行,固定在水平面内,工件 P 架在两木棍之间——若棍平行于 y 轴,俯视图: A————B C————D 棍在水平面内,它们之间距离是 x 方向间距。 工件 P 跨在它们之间,横跨的意思是工件轴线平行于棍方向?不,横跨一般是工件垂直于两棍,这样它们才能“架”着——如果工件轴线平行于棍,那是搁在棍上,不是跨;题中说“架在两木棍之间”指:工件轴线垂直于棍,横跨它们,棍是水平平行的,工件直径大于间距,这样工件不接触地面,由两棍支持。
所以:x 方向——推力 F 向右。 棍的轴线平行于 y 轴,它们之间的水平距离(x 方向)是 2a(在半宽坐标系中,y 相同)。 两棍的截面在 x–z 平面中是点 (−a,0) 和 (a,0)(z 垂直向上),工件截面圆半径 R,圆心 (0,h)。
滑动方向:
工件沿 x 方向运动时,每个接触点处相对棍的滑动速度方向有分量? 其实在每个接触点处,工件相对于棍既有 x 方向速度 vx,可能也有 z 方向速度(工件转动时,接触点相对速度沿切线)——但我们讨论动摩擦力时,是沿工件与棍的接触点,这个摩擦力要阻止 x 方向运动(阻力的 x 分量)并提供 y–z 平面转矩?
对于匀速状态,只有水平推力 F 引起 x 方向运动,棍的摩擦力水平(x 方向),每个棍 f = μN,因此总摩擦力 2μN=F。
最大静摩擦力可能超过 μsN′,如果 μs=μ(滑动摩擦系数与静摩擦相等),那么最大静摩擦力为 2μsN′ 必须大于或等于 F 才能启动?
注意:原题是原来恰好匀速,增大间距后同样 F 推,问是否可能匀速、加速、或不动?
从平衡条件看:
匀速时需 F=2μN′=μcosθ′mg。
但 F=μcosθmg(原状态)固定,所以新状态 2μN′=μcosθ′mg 必须等于 F 才匀速。而 F 比原来的大(因为 θ' > θ,cosθ′<cosθ,μmg/cosθ′>μmg/cosθ),因此 2μN′>F 意味着需要更大的 F 才能匀速。
我们用的是同一个 F,所以 F 小于需要的动摩擦 2μN′,所以工件将减速?不,滑动时动摩擦就是 μN′ 对每个棍,总 2μN′>F,则合力向左,会减速。 但如果一开始从静止推,那么需克服最大静摩擦,可能推不动。
题中问:用同样的水平推力 F 向右推,将发生:可能推不动(如果静摩擦系数一样,且最大静摩擦=滑动摩擦),也可能启动后减速(因为动摩擦大于推力)。
但是 A 选项说“可能匀速”——这不对,因为新状态下 N′ 更大,摩擦更大,不能用同一 F 维持匀速。 B 选项“可能加速”——这不对,因为推力 F 小于摩擦力,不会加速,只会减速(如果已经动起来)或静止。 C 选项“A 或 B 棍受到的摩擦力一定等于 F/2”——这是匀速时才成立。 D 选项“A 或 B 棍受到的摩擦力一定大于 F/2”——新状态下如果动起来,总摩擦力 2f' = F+(?)我们看:一旦运动,f′=μN′>μN=F/2(因 N' > N),所以 f′>F/2,总摩擦力 > F,合力向左,但题问“A 或 B 棍受到的摩擦力”一定是 f′ 这个值,所以如果动起来,一定大于 F/2。 如果推不动(静摩擦),可能静摩擦力仍 = 0 到 μ_s N',但是否可能等于 F/2?如果最大静摩擦> F/2,那么静摩擦可等于 F/2(推力 F 时两棍各分担 F/2 静摩擦)。
问题是:题中没说“必定匀速”,D 说“一定大于 F/2”意味着对运动情况成立,静止时未必成立——可是从静止推,如果没推动,每棍静摩擦力 = F/2(因为两棍对称)。静止时满足 F = 2f_static,所以 f_static = F/2 可能成立,不一定大于 F/2。 所以 D 选项只有在动起来才成立,但静止时可以是 F/2。但题可能假设一开始从原状态(匀速)直接增大间距后换工件,可能会动起来?题没有说明。
如果保持原工件,然后增大间距,N' 变大,开始推时若 F 不足以克服最大静摩擦则静止,若刚能克服则匀速,需刚好 F = 2μ_s N'。若 μ_s = μ 滑动系数,则 F 不足,所以推不动。
但题中问的可能情形,常见结论: 增大间距后,需要更大推力才能匀速,同一 F 时,可能工件静止(静摩擦分 f_static = F/2),或如果最大静摩擦小于 F 则滑动减速,此时动摩擦力 f_dynamic = μ N' > F/2。 所以“A 或 B 棍受到的摩擦力一定大于 F/2”错在静止时等于 F/2。 D 错在“一定”。
看选项 A“可能匀速”——不可能,因为增大间距后 N 变大,F 不足以提供匀速所需摩擦力(动摩擦 > F),但必须大于 F 才能匀速,所以不可能匀速。 B“可能加速”——不可能,合力向左。 C“一定等于 F/2”——不一定,静止时等于,运动时大于。 D“一定大于 F/2”——不一定,静止时等于。
没有一个绝对成立的?奇怪。也许题是选 D,但假设工件一定动?题说“用同样的水平推力 F 向右推”如果推动则动摩擦 f > F/2;若没推动,静摩擦 = F/2,题没说一定动,所以 D 错。
A 错,B 错,C 错,D 错。等等,那正确答案是什么?
常见正确结论是:间距增大,正压力增大,动摩擦增大,若原来匀速时 N 对应动摩擦 f = F/2,现在 N' > N,动摩擦 f' > F/2,故加速不可能,匀速不可能,可能推不动(推不动时静摩擦 = F/2),可能运动(但动摩擦 > F/2,会减速)。 所以若运动,则 f > F/2。
题中问 D 说“A 或 B 棍受到的摩擦力一定大于 F/2”——注意:这个“一定”在静止时不成立,但如果运动则成立。
可能题设隐含假设了“恰好能向右匀速运动”转成“推它”意味着运动或恰好临界,然后问增大间距后会发生什么。这样静止时受力 f = F/2 满足 D 吗?不,D 说“一定大于 F/2”,静止时等于 F/2,所以不成立。
所以 D 错。
但四个都不对?可能题目印刷时 D 写为“可能大于 F/2”或“一定”在题中实际是“可能”。如果是选“可能大于 F/2”则 D 对。