如图所示,用半径为0.4m的电动滚轮在长薄铁板上表面压轧一道浅槽.薄铁板的长为2.8m、质量为10kg.已知滚轮与铁板、铁板与工作台面间的动摩擦因数分别为0.3和0.1.铁板从一端放入工作台的滚轮下,工作时滚轮对铁板产生恒定的竖直向下的压力为100N,在滚轮的摩擦作用下铁板由静止向前运动并被压轧出一浅槽.已知滚轮转动的角速度恒为5rad/s,g取10m/s2.
(1)通过分析计算,说明铁板将如何运动?
(2)加工一块铁板需要多少时间?
(3)加工一块铁板电动机要消耗多少电能?
(1)开始砂轮给铁板向前的滑动摩擦力 F1=μ1FlN=0.3×100N=30N;
工作台给平板的摩擦阻力 F2=μ2F2N=0.1×(100+l0×10)N=20N<F1;
因而铁板先向右做匀加速直线运动a=
=1m/s2;F1-F2 m
加速过程铁板达到的最大速度 vm=ωR=5×0.4m/s=2m/s;
这一过程铁板的位移s1=
=2m<2.8m;v 2m 2a
因而此后砂轮对铁板的摩擦力将变为静摩擦力F1′,F1′=F2,铁板将以2m/s的速度做匀速运动;
故铁板先以1m/s2的加速度做匀加速直线运动,然后以2m/s的速度做匀速运动.(只要上面以求出,不说数据也可)
(2)铁板加速时间t1=
=vm a
s=2s;2 1
铁板匀速时间t2=
=L-S1 vm
s=0.4s;2.8-2 2
故总时间为t=t1+t2=2.4s.
(3)根据功能关系和能量守恒定律可知,消耗的总电能等于系统增加的动能和内能之和;
铁板动能增量为,△Ek=
mv2=1 2
×10×22J=20J;1 2
铁板与滚轮间的相对路程为,△S=vmt1-s1=2×2-2=2m;
铁板与滚轮间因摩擦产生的热量为Q1=F1△S=30×2J=60J;
铁板与地面间因摩擦产生的热量为Q2=F2L=20×2.8J=56J;
因而消耗的电能为E=△Ek+Q1+Q2=136J;
故消耗的电能为136J.