平衡問題是高中物理的重點與難點,共點力作用下物體平衡的特征是合力為零,即∑F=0。若采用正交分解法,則平衡條件應為∑F=0,∑F=0。若采用平移串聯(lián)法,則將力平移首尾相接應能組成一個封閉的圖形。本文以一例三解來闡述平衡問題的解決策略。
例:如圖所示,不計滑輪摩擦,A、B兩物體均處于靜止狀態(tài)?,F(xiàn)加一水平力F作用在B上使B緩慢右移,試分析B受力的變化情況。
解法一:正交分解法
對物體B進行受力分析,建立如圖所示直角坐標系。
在x軸上有:∑F=F-(f+T?cosθ)=0①
在y軸上有:∑F=N+T?sinθ-G=0②
其中:T=G,f=μN③
聯(lián)立①②③得:
F=μG+G(cosθ-μsinθ)
因為B緩慢右移,θ不斷變小,所以F將不斷增大。
解后語:物體受到三個以上力的作用而平衡時,常用正交分解法列平衡方程求解:∑F=0,∑F=0,為方便計算,建立直角坐標系時應以盡可能多的力坐落在坐標軸上為原則。
解法二:三角形法
對物體B受力分析如圖所示:
將同一直線上的共線力優(yōu)先合成,則物體B的等效受力圖即變?yōu)椋?br/> 此時,物體B的平衡變?yōu)槿ζ胶?,采用三角形法,如圖所示:
此圖中,T大小不變(等于G),但方向在變,隨著B的右移,T趨向水平,其動態(tài)變化過程如下圖:
此過程中,①(G-N)在減小,說明N在增大,則f增大。
?、冢‵-f)在增大,因為f增大,所以F增大。
解后語:對于受三力作用而平衡的物體,將力矢量平移首尾相接使三力組成一個封閉的力三角形,進而處理物體平衡問題的方法叫做三角形法。這樣解三力平衡問題就變成解三角形。三角函數(shù)、正弦定理、三角形相似等是解三角形常用的技能。三角形法在處理動態(tài)平衡問題時簡捷、直觀、容易判斷。本解法同時表明,常用的三角形法未必要求物體只受三個力,其實,只要物體的受力中容易合成的力優(yōu)先合成之后,剩下的等效受力為三個,即可采用三角形法。
解法三:多邊形法
物體B受力分析如圖所示,將其中f與N合成為P(如圖):
P與N夾角α的正切:
tanα==μ
表明:α只與μ有關,為定值,則α為定值,即f與N合力的方向是確定的。
這樣,物體B的等效受力即變?yōu)樗膫€力,四力平衡將四個力首尾相接組成一個閉合的多邊形。
因為T大小不變,但方向隨著B的右移而趨向水平,在這個動態(tài)變化的過程中,顯然可見,F(xiàn)在增大。
解后語:多邊形法是三角形法的延伸,它們統(tǒng)屬于平移串聯(lián)法,當物體受三個以上力作用而平衡時,亦可用多邊形法解決平衡問題。本解法就是一個示例。
綜上所述,力的正交分解法與平移串聯(lián)法是解決共點力平衡問題的主流方案。本文通過舉例說明了兩種方案各自的優(yōu)越性,同時也反映了兩種方案的兼容性,在解決具體問題時應當靈活選擇解決方案。