力学竞赛试题及答案.docx
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力学竞赛试题及答案
力学竞赛试题及答案
一、四叶玫瑰线
解:
(1)对于四叶玫瑰曲线p=acos28,在直角坐标系中可写成(图3-1)
X将°=acos2&代入上式,得
y=/?
sin8
(1)
x=acos28cos0
y=acos20sin0
固定内齿轮O内作纯滚动,其中内齿轮的半径为小齿轮的半径为厂,画笔所在E点离小齿轮圆心a的距离为随系杆OO]的转动,其e点的轨迹为
{
Xe=(R-r)COS0+acos(p
yE=(/?
一厂)sinQ_gsin0
R—f
利用小齿轮的纯滚动条件RO=r((P+O).有0=——0.代入上式可得
R_r
x已=(R—r)cos0+ecos(cp)
R_r yE=(/? _厂)sin&_fsin( .'r 作变换,令3=30,上式可改写为 R_»・ xE=(R-r)cos30+ecos(3cp) r R-ryE=(/? _/•)sin30_£sin(3cp) r (3) 对照式 (2)和式(3)中的系数,有 联解之,得 (4) 3a —a,e=— 22 做一个如图3・2所示的行星齿轮绘图机构,取式(4)中的参数,即可画出p=acos20的四叶玫瑰曲线。 2.手指转笔 在你思考问题时有用手指转笔的习惯吗? 请你用卞述刚体简化模型,进行分析计算: (1)本问题与力学中的什么内容有关系? (2)求出笔绕手指无滑动转一周中,手指作用于笔的正压力和摩擦力的大小; (3)给出笔与手指间的摩擦因数“随AC长度*变化应满足的条件。 手指转笔的刚体简化模型: 如题4图所示,设手指为半径为的圆柱,笔为一回转半径为Q的细直杆(对质心C转动惯量为〃s')。 设手指保持不动,开始时笔在距质心C距离为Q的A处与手指相切,初角速度为%,设p>冰,且杆始终在垂直于手指的同一平面内转动,忽略重力的影响。 q(x) 解: (1)关键词: 平面运动学分析,刚体平面运动微分方程,机械能守恒。 (2)设某瞬时杆与圆柱相切于点川(圆柱上的点),此时杆绕川旋转的角速度为", 质心C与A距离为庆杆对A的转动惯量为JA=m(p2+x2),依题意,A为杆此刻的速度瞬心,由机械能守恒可得 (1) 设杆受压力巴丫和摩擦力F,如图4」(“所示,a: 分别为质心加速度的径向和 切向分量,a为杆转动的角加速度。 A i nn ClCAaC kaCA C 丿 X 'i (a)(b) 图4-1 4和A'两点瞬时重合,A相对于A'的加速度与4相对于A的加速度等值反向,而 =Rco2(纯滚动接触点的加速度),由4指向0。 故有%=加,由O指向且A 点的加速度无切向分量,而由基点法可知 (2) 方向如图4」b所示,其中aA=a\=Rco\aTCA=xa.代入式 (2)后,投影得 a;=Rco2一ca,=co2x (3) (4) 根据刚体平面运动微分方程,可列出 macx=ma".=Fniacy=一〃=_Fn mp2a=FNx 联立求解式(3)和式(4),可得 >0 (6) (3)、分析摩擦因数“应满足的条件: 若使杆始终不与圆柱脱离,则摩擦因数“应满 八 ・W+jc) 足 (7) 因|x|=|p-/? ^|,对&w[0,2/r],有冈e[0,q],(°>欣)。 则 PmaxW=“(P)=晋 K 故“日 R 三、小虫在转盘上爬行 一光滑水平面上的圆盘,中心O用无摩擦轴固定,圆盘对此转轴的转动惯量为人。 在圆盘上P点有一个质量为加的小虫,处于静止状态,如题5(a)图所示。 小虫在转盘上爬行将引起转盘的转动。 请你分析计算。 (1)本问题与力学中的什么内容有关系? (2)在g时刻小虫开始爬行,当我们在转盘中看到小虫的轨迹如题5图(b)所示时(假设小虫相对转盘逆时针运动),试求出转盘转过的角度。 (3)若我们在转盘中看到小虫的轨迹如题3图(c)所示的圆弧时,试求出转盘转过的 角度,并求出当小虫沿圆弧爬行一周时,转盘转过的角度。 (b) (c) 解: (1)关键词: 点的合成运动,动量矩守恒。 (2)取小虫为动点,定参考系O-RZ,动参考系O-x')々'固连在转盘上,与转盘一起转动。 根据题中提供的条件,转盘和小虫的重力平行于转轴,系统对转轴0的动量矩守恒。 设在心时刻,卩为小虫相对于定参考系的速度(即绝对速度),-『为小虫相对于转盘参考系的速度,转盘的角速度为r为小虫相对于定参考系的位矢,r'为小虫相对于动参考系的位矢,牵连速度冬=0><「'。 如图3、图4所示。 根据点的速度合成公式,有 v=vr+ve=vr+coxrf (1) 由于系统对转轴的动量矩守恒,有 Joco+mrxv=0 (2) 在此问题中,r=r\可以得到 JQco+mrfx(vr+r)=0 进一步有 co+rxvr=0 人+加八 设厂与乙的夹角为方,则上式可以化为 Ifl~ "+7^^^sm'=0 (3) (4) (5) 所以,转盘转过的角位移为 将式中的用小虫在动参考系中爬行的路程d$表示,可得转盘转过的角位移为 mrfsin0f (6) 0=_J-ds “/+mr- 若用极坐标描述(如图5),有 则式(6)可表示为 r=r\0)0<6><6>{ (7) S人+加产(&) (8) 从以上可知,转盘转过的角位移由小虫在动参考系中的轨迹决定。 (3)当小虫爬行的轨迹为圆弧时,如图6所示,有 0<0 代入式(8),得 mr^a 0=_2—— Jo+mr; (9) 当小虫沿圆弧爬行一周时,将a=2”代入上式,可得转盘转过的角度为 2/rmr: 0=_— Jo+mrj (10) 四、四两拔千斤 •••■・■■• (1)“四网拨干斤”与力学中的什么内容冇关系? 关键词: 力的合成。 〔2)试用力学原理简要解析一下“四两拨「•斤”的关键所在? “四两拨T•斤”说的是用很小的力去改变一个很大的力的方向。 为了最仃效地改变力的方向,即要使合力集与原力片之间的夹角为最人。 以小力笃长度为半径価出—•圆,则片起点到圆的切线方向为合力耳与原力九之间夹角的最人值。 与切向垂肖的半径方向为耳最有效方向。 此时只与右的方向夹角为,T-a=^-aiccos^-0此方向的&不仅改变力的方向,而II也化解了部分的力,「厲|<|斤|。 故过招时改变对方力的方向的扱佳角度为与来力成一钝角。 原力人方向相垂冑的时候作用效果最明显。 (3)试分析图示拔桩装宣的力学原理。 (3)试分析图示拔桩装置的力学原理。 分别对A、B点受力分析町得两个力三角形,山几何关系可得 Fba=卩旳•cotatFcb=cota, IhFab~尸恥,可得Fqb=^ha'co^2a。 为角度Q非常小时,COtCZ的值很人。 即町以川和对较小的力屜去拉动很人的力尸加。 五、自动向上滚的论子(南京工程学院) 有这么一条轨道,一个轮子放在这轨道上,轮子不是向下,反而向上滚6轮子由两个相同的圆锥底面相贴而成,轨道的形状如下图。 图 (2)⑹分别为轨道的侧视图与俯视图。 图(C)为轮子的示意图。 (a) 请你分析一下: (1)本问题与力学中的什么内容有关系? (2)试用力学原理简单解析一下轮子往上滚动的原因。 (3)求出直轨道和轮子的尺寸以及夹角的关系。 (1)本问题与力学中的什么内容有关系? 关键词: 重力作功。 (2)试用力学原理简单解析一下轮子往上滚动的原因。 轮子能往上滚动是因为重力作功。 由于轨道与轮子的形状比较特殊,虽然在轨道上看,轮子是往上滚动,但是轮子的重心在轨道低处时要比轮子在轨道高处时高。 重力作功,所以轮子能往上滚动。 (3)求出直轨道和轮子的尺寸以及夹角的关系。 设有效轨道的最低端为A,最高端为B,两端的水平距离为/,如图(3),在A、B处轨道高度分别为仏、仏,而“分别为轮子在轨道a、B处与两侧轨道接触点之间的距离。 ⑴ II则'I b—*: 只要轮子在A处的重心位置比在E处高,轮子就可以沿着这条轨道往上滚动。 由图 (1)、 (2)、(3)的几何关系可得, 轮子在A处其重心到轨道底部距离为仏+(九一■|)/g&o 轮子在E处其重心到轨道底部距离为hB+(/70-£)fgOo 由图(3)可知 b-a=2/-tan—, 2 由图 (1)(3)可得 ・tauae C0ST 由①②式町得轮了在A、E处时具重心的岛度并为 a\ (b、 仏+ 心7卜110 力b+ tau6? =(hA一力』+牙(b_a)tan0 当A//>0,即轮子的豆心高度在轨道最低处A人于其在轨道最高处B时,轮子就会向上滚动。 丁足当满足下而的条件 tga V a 轮子将会向上滚动。 六、难中的奖(南京工程学院) 游乐场中常有•种游戏,让人站在二米以外,用篮球把六个易拉罐垒成的二层结构打翻,易拉罐被打中后平移不算成功,三次机会,如果能都打翻就有奖品。 一个人在旁边看了很久,不少人去试,但是都-无所获。 这人注意到,易拉確里而都灌满了泯凝土,如下图垒三层放在地面上。 易拉罐均为圆柱体,高0.1277/,圆柱直径为0.06m,质量为0.81居,篮球直径为0・36加,质量 为0・4艇。 假设冲击力均足够大,地面摩擦系数足够大。 请你分析一下; <1)为什么很难中这个奖? (2)假设掷出的篮球都能碰到易阳中奖的儿率有笫大? <3)为了中奖应采取什么措施? (1)为什么很难中这个奖? 球面与圆形物体接触时,力所在方向一定在过接触点与易拉罐电心的纵截面上。 图 (1) 图 (2)分别为篮球击屮易拉罐并使貝翻倒的最低点和最高点,球心与接触点连线与水平方 向夹角分别为a】、a,o 由图中几何关系得 ".18-121 snicr.==一 1183 129 ^2=—=2 I6 因冲击力的方向沿球与易拉罐的接触点与球心的连线方向,篮球只能冲击易拉罐前端的顶点才有可能击翻易拉罐。 如果球心与接触点连线与水平方向夹角为°,则必须有勺<°<6,冲击力才能产生使易拉罐绕另一侧底边转动的力矩。 若°>8,则冲击力对另一侧底边的力矩的方向均与易拉罐重力相同,无论冲击力有多大都不能击翻易拉罐。 为能击翻易拉罐,篮球的最低点距离地面最大为 12一(18一18sin如=18x吕一6=10.1c〃7 在距离三米以外击中易拉罐这么小的范围非常困难。 如果角度不对,力量再大也不能击翻易拉罐。 所以很难中这个奖。 (2)假设掷出的篮球都能碰到易拉罐,中奖的几率有多大? 粗略地计算,篮球能击翻易拉罐其最低点离地面最大为10.1cm,而篮球能碰到易拉罐其最低点离地面最大为36cm,假设只有正碰时才能击翻易拉罐,则每次机会都要击翻地面上的一个易拉罐。 于是中奖的几率为 可见中奖的儿率非常低。 (3)为了中奖应釆取什么措施? 只要击翻了地面上的三个易拉罐,垒在其上的另外三个也将翻倒。 故每次机会都应瞄准地面上的易拉罐,投掷的角度不能太大,这样才能提高中奖的可能性。 八、四人追车 平直轨道上有一节质量M二20m的车厢,速度为v0,车厢与铁轨间摩擦可以忽略。 有4个人列队前行,前两个人质量同为〃7,第3个人质量为加3,第4个人质量为〃心当前两个人发现车厢后,以速度2“追上车厢并且登上去坐下。 第3个人发现较晚,但是也以2.2vo的速度追上登上去坐下。 第4个人发现最晚,但最后还是以1.15vo速度追上去刚好登上了车厢。 根据以上条件,回答下下列问题: (1)本问题与力学中的什么内容有关系? (2)加3,加4与加有没有关系? 如果有关系,请找出它们与〃7的关系。 (3)如果其它条件不变,第4个人的质量加4增加,登上车厢后坐下,对车厢的速度影响有多大? 答案: (1)动量守衡。 (2)假设第3个人登上去坐下后,车厢的速度为“, 根据动量守衡: (M+2tn+m5)u=Mv0+4加%+2.2n? 3v0 得打_24〃叫+2.2®% 22〃? +阳3 又u=1.15v0 由上面两式得: 加3=L24加 W4与m没有关系。 (3)假设第4个人登上去坐下后,车厢的速度仍然为v=1.15v0,所以如果其他 条件不变他的质量对速度没有变化。 Vo 九、魔术表演 利用一无底的薄壁圆桶(设半径R),再找两个乒乓球,如果满足2R>2r>R就可以进行魔术表演了: 把两乒乓球如图所示放在圆桶内,那么有时候圆桶会翻倒,有时候不会翻倒。 1、为什么要满足2R>2r>R 2、假设圆桶重Q,球重P,圆桶不翻倒需要满足什么条件? 3、要使得圆桶有时候翻倒,有时候不翻倒,这里面有什么“机关”? 解答: 1、2R>2i,保证球可以放入桶内。 2r>R,保证两球重心不在一水平线,从而产生翻倒力矩。 2、 Q 整体受力如图,在临界翻倒的情况下,应有M=0,对〃取矩,有 QR+P(2/? -r)+Pr=Nc(2R-r) 取两球为研究对象,可得 W2P 联立求解,可得: P=QR/2(R-r) 故要使得圆桶不翻倒,必须满足P 3、魔术的机关在于: 2个乒乓球的重量不一样,一个是普通的乒乓球,一个是注水的乒乓球。 表演魔术时,如果先放空心乒乓球再放注水乒乓球,圆桶就会翻倒,若先放注水乒乓球再放空心乒乓球,圆桶不会翻倒。 要满足的条件: 根据2的结果,注水乒乓球的重量Pi>"2(凡方,空心乒乓球的重量Pi 十、绊马索 古代战争中,绊马索常用于拦截敌方的骑兵队伍。 下图为一隐蔽在树林中的绳索,两端系于树根部。 当敌方的骑兵向绊马索的中部冲杀过来时,坐骑可能会被绊倒。 若设绳索的弹性模量为E,强度极限为巧,,系于两树之间的长度为厶,横截面积为A。 试问: (1)本问题与力学中的什么内容有关系? (2)绳子中部的变形量△与冲击力尸的关系? (3)若绳索的初始张力为化,坐骑与士兵的总质量为加。 试问,要想冲断绳索,骑兵的极限速度至少为多少? 解: (1) (2) 卜 冲击问题,强度问题 1+耳竺丫 2(L丿 竺,5】%丄=竺 8EAA%L FI EA FL? (3)能量守恒 1.—mv・2 1EA •■I 2L L △厂 鑫’得到宀8E4 1 mv2eV 4EA FEA Z7_T 31 (g晋聞 故极限速度T的T°)馬
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