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  微元法求绳的张力

  微元法求绳的张力

1回答
2020-06-15 14:46
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谭建平

  我来回答你把,虽然之有15分...

  先看绳子微元的受力分析图,这是个空间上的受力分析

  为了方便画图,我取最右边一小段(红色)的绳子作为微元

  受力分析:

  紫色:来自球面的支持力,这个力垂直于球面,所以从球心发出

  红色:绳微元的重力

  蓝色:身子由于拉升产生的绳内张力,大小由虎克定律决定,和绳子的总长度变化相关

  想求弹力常数K,又已经知道绳子的伸长,因此必须知道弹力大小

  弹力的大小,由空间力的平衡来求,在弹力这个平面上,也就是顶端圆面上,只有支持力N的分力,而大小位置,因此需要先求出N的大小,N的大小可以通过重力方向上的力学平衡得出,重力已知,因此可以求解

  解题步骤:

  1,在重力方向列力的平衡,有mg=Ncosa

  m为绳的微元质量,角a的大小可以通过几何关系求出:

  sina=圆截面半径/球半径=b/R=二分之根号二

  所以a=45度,因此N=mg/cos45= √2mg,

  N在圆截面上的投影大小为 Nsina=mg

  2,在圆截面方向列力的平衡:

  设绳微元的张力为F,从顶端俯瞰截面圆,再来个图:

  力的平衡给出

  2Fsinb=Nsina=mg

  注意m是微元绳子的质量,因此m=(2b/2pi)*M

  所以有F=(b/sinb)Mg/pi

  同时,有F=k Δl=k*2pi*(b-a)=k*pi*(√2-1)R

  于是得到 k=F/[pi*(√2-1)R],代入F= (b/sinb)Mg/pi

  得到k=(b/sinb)*Mg/(2*pi平方)/[(√2-1)R]

  注意,由于是绳的微元,因此b无穷小

  b/sinb这个表达式在b->0的时候,极限为1

  同时把带根号的分母有理化,上下同时乘以√2+1)

  得到最后的结果

  k=Mg/(R*pi平方)*(√2+1)/2

  有问题可以来追问~

2020-06-15 14:49:46

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