均质滚子,质量为m,半径为r,对中心轴(过质心)的迥转半径为ρ,如图所示。滚轴半径为r0,受到常力F的作用,从静止
均质滚子,质量为m,半径为r,对中心轴(过质心)的迥转半径为ρ,如图所示。滚轴半径为r0,受到常力F的作用,从静止开始沿水平面作纯滚动。设力F与水平面夹角为θ,试求:滚子质心的加速度;滚子受到的滑动摩擦力;滚子保持纯滚动的条件。
思路:滚子作平面运动,应用平面运动微分方程求解。
取滚子为研究对象。它受到重力mg、拉力F、地面法向反力FN和静滑动摩擦力Fs的作用,如图(b)所示。
滚子向右作纯滚动,设质心速度vC方向向右,角加速度α为顺时针转向。有运动学关系
平面运动微分方程为
maC=Fcosθ-Fs ①
0=Fsinθ+FN-mg ②
Jα=Fsr-Fr0 ③
式①×r+式③,注意运动学关系及J=mρ2,得滚子质心加速度
将aC代入式①便求得摩擦力
④
滚子作纯滚动的力的条件是
Fs≤fsFN 或 ⑤
式中:fs为静滑动摩擦系数。由式(b)知
FN=mg-Fsinθ
将Fs和FN的表达式代入式⑤得
①初学者常误认为滚子在力F作用下质心会向左运动,实际上由加速度关系式可知,当初速度vC=0时,若
rcosθ>r0,aC>0,aC向右,质心向右运动。
rcosθ<r0,aC<0,aC向左,质心向左运动。
rcosθ=r0,aC=0,质心不动。
②关于滑动摩擦力的大小和方向:其大小由式④决定,因Fs>0,说明原来假设的方向是正确的。
若力F作用线高于质心C,如图(a)中虚线所示。则微分方程不变,此时摩擦力
显然,当ρ2cosθ>rr0时,Fs指向左,ρ2cosθ=rr0时,F。-0,ρ2cos<rr0,Fs指向右。这说明在纯滚动情况下,滑动摩擦是未知量且Fs≤fsFN,指向可任意假设。