在物体的运动状态发生变化的过程中,常常达到某一个特定状态时,有关的数学量将发生突变,此状态即为临界状态,相应的数学量的值为临界值。当物体受力或运动发生变化时,磨擦力常发生突变。磨擦力的突变,又会造成物体的受力情况和运动性质的突变,其突变点(时刻或位置)往往具有很深的隐蔽性,稍不留神容易出错。解决磨擦力发生突变时的临界问题的关键在于剖析突变情况,找出磨擦力突变的点。
一、静磨擦力发生突变
静磨擦力是被动力,其存在及大小、方向取决于物体间的相对运动的趋势,但是静磨擦力存在最大值。静磨擦力为零的状态,是方向变化的临界状态;静磨擦力抵达最大值,是物体正好保持相对静止的临界状态。
1、静磨擦力突变为滑动磨擦力
例1、如图所示,物体A和B叠置于光滑的水平面上,A、B的质量分别为
,
,为了保持A与B相对静止在水平面上做加速运动,作用在B上的水平拉力F不能超过4N。若果将此水平拉力作用在物体A上,则()
A.A、B仍相对静止一起加速运动;
B.A、B将发生相对运动;
C.A做匀速运动,B做加速运动;
D.A、B一起做匀速运动。
解析:设A和B之间最大静磨擦力为
,当水平拉力F作用在B上时,则
,
所以
当水平拉力作用在A上时,A、B不发生相对运动,一起运动的最大加速度和拉力的最大值分别为
因为
,A、B将发生相对运动,A、B都做加速运动,故选项B正确。
2、静磨擦力方向或大小发生突变
例2、如图所示,在水平面上,质量为10kg的物块A拴在一水平被拉伸弹簧的一端,弹簧的另一端固定在货车上,当它们都处于静止时,弹簧对物块的弹力大小为3N,若货车以
的加速度水平往右匀加速运动时()
A.物块A相对于货车一直静止;
B.物块A遭到的磨擦力方向不变;
C.物块A遭到的磨擦力变小;
D.物块A遭到的弹簧的拉力将减小。
解析:物块A与货车都处于静止状态时,物块A所受合力为零,弹簧对物块往右的弹力大小为3N,则物块A遭到货车对它静磨擦力大小为3N,方向水平向左。所以货车对物块A的最大静磨擦力起码3N。当货车以0.5m/s2的加速度水平往右匀加速运动时,物块A所受往右合力应为
。若物块A相对于货车静止,则弹簧对物块A往右的弹力大小依然为3N,货车对物块A静磨擦力大小为2N、方向水平往右,而2N其实大于货车对物块A的最大静磨擦力起码3N,这说明物块A相对于货车一直静止,没有发生滑动。货车水平往右匀加速运动时,静磨擦力发生了突变:方向由原来的水平向左变为水平往右;大小由3N变为2N。本题选项A、C正确。
二、滑动磨擦力发生突变
滑动磨擦力存在于发生相对运动的物体之间,因而两物体的速率达到相同时,滑动磨擦力要发生突变(磨擦力为零或为静磨擦力)
1、滑动磨擦力突变为静磨擦力
例3、如图所示,质量为M=8kg的货车B置于光滑的水平面上,在货车右端加一个水平往右的恒力
。当货车往右运动的速率达到
时,在货车右端轻轻地放上一个大小不计、质量
的小物块A,物块与货车间的动磨擦质数为
,货车足够长,
。求从A放上货车经过
后位移的大小。
解析:分别以A、B为研究对象,则
,
设A、B速率相同时所经过的时间为t1,则
,
此时A的速率大小为
位移为
随后假定A、B以相同的加速度a一起运动,则
,所以A、B不发生相对运动,它们之间的磨擦力由滑动磨擦力突变为静磨擦力。
再经过
,A位移为
所以从A放上货车经过1.5s后位移的大小为
2、滑动磨擦力方向或大小发生突变
例4、如图所示,传送带宽度
,与水平方向成
角,传送带的三轮逆秒针转动,使传送带仍然以
的速度运动。将一物体轻置于传送带的下端A,物体与传送带之间的动磨擦质数
,
,求物体从传送带的下端A运动到左端B所用的时间。
解析:开始物体相对传送带向下运动,物体遭到的滑动磨擦力沿传送带向上,当物体加速到v时,因为
,传送带匀速运动,物体要加速运动高中物理滑动摩擦力,物体相对传送带向上运动高中物理滑动摩擦力,遭到的滑动磨擦力沿传送带向下。
刚放上物体时,依据牛顿第二定理,有
,所以
物体加速到v所需时间为
,通过的距离为
物体加速到v后,依据牛顿第二定理,有
,所以
又
,
所以
故物体从A运动到B所需的时间为