问题 计算题

一个质量为M的光滑圆环用线悬吊着,将两个质量均为m的有孔小球套在圆环上,且小球能在圆环上无摩擦地滑动,现同时将两小球从环的顶端无初速度释放,使它们分别向两边自由滑下,如图所示。试问当mM满足什么关系,θ角要在什么范围时,圆环将升起?

答案

        

小球从环的顶端释放,速度越来越大,所需要的向心力越来越大,而小球重力沿半径方向的分力mgcosθ却越来越小,环对求得弹力(指向环心)越来越大,球对环的反作用力(远离圆心)随之增大,当其竖直分量大于圆环的重力时,圆环自动升起。

 设两小球由A运动BC到时,此时

  由机械能守恒得:

 小球在B点受到环的弹力N为,则:

解得:

圆环此时升起,即     得

则角的范围是  而且角若有实数解必须,即

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