拉物滑動(dòng)的省力分析

張雪輝

(江蘇省鄭集高級(jí)中學(xué),江蘇銅山 221143)

如圖1,當(dāng)我們用力F在地面上拉動(dòng)一質(zhì)量為m的物體進(jìn)行相同狀態(tài)的運(yùn)動(dòng)時(shí),究竟是拉力F與地面所成夾角θ越小越省力,還是越大越省力?

圖1

對(duì)于這個(gè)問(wèn)題,有人認(rèn)為,θ角越小越省力.理由是θ角越小,拉力F沿運(yùn)動(dòng)方向使物體滑動(dòng)的分力Fx越大,因而就越省力.有人認(rèn)為θ角越大越省力,理由是拉力F在垂直于運(yùn)動(dòng)方向上有一向上的分力Fy,此力減小了物體對(duì)地面的壓力,從而減小了摩擦阻力;θ角越大,Fy越大,摩擦力減小得越多,所以越省力.后面的論證將指出,這兩種答案都是片面的.

其實(shí),這個(gè)問(wèn)題在物體與地面間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ值未確定以前,是不可能得出明確的答案的.因?yàn)樵谑刮矬w保持相同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)(如勻速直線運(yùn)動(dòng)或勻加速直線運(yùn)動(dòng))的情況下,拉力F的大小(省力不省力的問(wèn)題),不僅跟θ角的大小有關(guān),而且還跟動(dòng)摩擦因數(shù) μ值的大小有關(guān).這個(gè)問(wèn)題的正確答案應(yīng)該是:當(dāng)μ值確定以后(在一個(gè)確定的實(shí)際問(wèn)題中,μ值可認(rèn)為已確定),從拉力F與地面的夾角θ從零開(kāi)始,增大的起初階段,θ角越大越省力(所用拉力F越小);當(dāng)θ角增大到某一臨界值時(shí)最省力,即是使物體保持相同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)所用的拉力F最小.但當(dāng)θ角繼續(xù)增大超過(guò)臨界值進(jìn)入第2階段以后,則隨θ角的增大便越來(lái)越費(fèi)力了;θ角這一臨界值的大小取決于動(dòng)摩擦因數(shù)μ值的大小:對(duì)應(yīng)著不同的μ值,θ角將有不同的臨界值.

下面,我們就來(lái)論證這個(gè)問(wèn)題.論證的關(guān)鍵是導(dǎo)出拉力F的大小隨夾角θ與動(dòng)摩擦因數(shù)μ而變化的函數(shù)關(guān)系,而在這一函數(shù)關(guān)系中可把μ值作為參量處理.為使論證簡(jiǎn)化起見(jiàn),我們先討論在拉力F的作用下物體在水平面上勻速直線滑動(dòng)的情況(滾動(dòng)的情況較為復(fù)雜,本文不討論),然后再推論到物體在斜面上的勻加速向上滑動(dòng)的情況.在勻速直線滑動(dòng)的情況下,物體的受力情況如圖1所示.圖中f為摩擦力,Fx與Fy分別為拉力F的水平分力與豎直向上的分力,mg為物體所受的重力.

根據(jù)牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律,可得

Fx-f=ma.

因?yàn)閯蛩僦本€運(yùn)動(dòng)的加速度 a=0,故有 Fx-f=0.而

Fx=Fcosθ,f=μN(yùn)=μ(mg-Fy)=μ(mg-Fsinθ),

所以 Fcosθ-μ(mg-Fsinθ)=0.

整理后得

顯然,θ角由0°變到α?xí)r,cos(θ-α)的值變大,拉力 F的值變小,即越來(lái)越省力;θ角由α變向 90°時(shí),cos(θ-α)的值變小,拉力 F的值變大,即越來(lái)越費(fèi)力.因而,在θ=α?xí)r,即拉力 F的值變小與變大的轉(zhuǎn)折點(diǎn),所以把α叫做θ角的臨界值(即函數(shù)的極值點(diǎn)).由于θ等于臨界值時(shí)最省力,所以把θ角的臨界值α叫做省力角,其大小由(1)式確定為 α=arctanμ.顯然這個(gè)臨界值 α由μ值的確定而確定以后,拉力F隨θ角的變化情況才有確定的范圍.

例如,當(dāng) μ=0.5774時(shí),由(1)式可得θ角的臨界值 α=arctan0.5774=30°.這就是說(shuō),當(dāng) α角由0°變到其臨界值 30°時(shí),cos(θ-α)便由 cos(0°-30°)變?yōu)?cos(30°-30°),它隨 θ角的增大而變大,由(2)式得,拉力 F的值變小,即越來(lái)越省力;而當(dāng)θ角由其臨界值30°繼續(xù)增大趨向90°時(shí),cos(θ-α)則由 cos(30°-30°)趨 cos(90°-30°),它隨 θ角的繼續(xù)增大而變小,由(2)式得拉力 F的值變大,即越來(lái)越費(fèi)力.

必須指出的是,由于實(shí)際問(wèn)題中μ的取值范圍只能在大于0到小于 1之間,故由(1)式可知:θ角的臨界值α的取值范圍為 0°＜α＜45°.

現(xiàn)在再來(lái)討論一般的情況.當(dāng)我們用力F拉動(dòng)物體使其沿斜面向上做勻加速直線滑動(dòng)時(shí),物體的受力情況如圖2所示,其運(yùn)動(dòng)方程為

圖2

比較(3)式與(2)式,可以看出兩者拉力函數(shù)F的極值雖然不同,但它們的函數(shù)極值點(diǎn)(即函數(shù)取得極值的自變量θ角的值)和函數(shù)的升降規(guī)律卻是一致的.因此,拉動(dòng)物體在水平面上進(jìn)行勻速直線滑動(dòng)所用拉力F的大小隨θ角與μ值而變化的規(guī)律,在其他情況下和其他形式的直線滑動(dòng)中都是適用的.