一个竖直放置的光滑圆环,半径为,
、
、
、
分别是其水平直径和竖直直径的端点.圆环与一个光滑斜轨相接,如图4所示.一个小球从与
点高度相等的
点从斜轨上无初速下滑.试求:
小题1:过点时,对轨道的压力
多大?
小题2:小球能否过点,如能,在
点对轨道压力
多大?如不能,小球于何处离开圆环?
小题1:
小题2:
故小球经过圆环最低点时,对环的压力为
.小球到达高度为
的
点开始脱离圆环,做斜上抛运动.
小题1:小球在运动的全过程中,始终只受重力和轨道的弹力
.其中,
是恒力,而
是大小和方向都可以变化的变力.但是,不论小球是在斜轨上下滑还是在圆环内侧滑动,每时每刻所受弹力方向都与即时速度方向垂直.因此,小球在运动的全过程中弹力不做功,只有重力做功,小球机械能守恒.
从小球到达圆环最低点开始,小球就做竖直平面圆周运动.小球做圆周运动所需的向心力总是指向环心
点,此向心力由小球的重力与弹力提供.
(1)因为小球从到
机械能守恒
,所以
①
②
③
解①②③得
小题2:小球如能沿圆环内壁滑动到点,表明小球在
点仍在做圆周运动,则
,可见,
是恒量,随着
的减小
减小;当
已经减小到零(表示小球刚能到达
)点,但球与环顶已是接触而无挤压,处于“若即若离”状态)时,小球的速度是能过
点的最小速度.如小球速度低于这个速度就不可能沿圆环到达
点.这就表明小球如能到达
点,其机械能至少应是
,但是小球在
点出发的机械能仅有
<
因此小球不可能到达
点.
又由于,
即
因此,>0,小球从
到
点时仍有沿切线向上的速度,所以小球一定是在
、
之间的某点
离开圆环的.设半径
与竖直方向夹
角,则由图可见,小球高度
④
根据机械能守恒定律,小球到达点的速度
应符合:
⑤
小球从点开始脱离圆环,所以圆环对小球已无弹力,仅由重力
沿半径方向的分力提供向心力,即
⑥
解④⑤⑥得
故小球经过圆环最低点时,对环的压力为
.小球到达高度为
的
点开始脱离圆环,做斜上抛运动.