
一:接触与脱离临界
当两物体接触并支持力为零时,会发生脱离情况。以物体在竖直向上的力作用下与另一物体表面接触为例,当向上的力大到使支持力减小到零时,物体就会与接触面脱离。
例如,在弹簧上放置一个小物块,当用力向上拉物块时,弹簧的弹力会逐渐减小。当弹力减小到零的瞬间,物块与弹簧即将脱离接触,这就是脱离的临界状态。
虽然物体仍然接触,但接触面的弹力已经为零。可以想象成物体悬挂在空中,即将下落的状态。
例题:
在一个倾角为θ的光滑斜面上,有一物块与斜面之间的静摩擦力达到最大值时,物块即将沿斜面开始滑动。若斜面固定不动,物块所受的静摩擦力达到最大值;若斜面开始向左加速运动,物块仍静止在斜面上时加速度大小应满足什么条件?最大静摩擦力可认为等于滑动摩擦力。已知重力加速度为g。分析如下:
当斜面固定不动时,物块所受静摩擦力达到最大值fm=μmgcosθ时开始沿斜面滑动,此时物块与斜面的相互作用力的临界情况是支持力FN=0时的临界加速度为零(假设支持力先逐渐减小至零再反向增大)。此时加速度的方向竖直向上且大小为a=(μgcosθ)/sinθ时刚好达到临界点(未滑动前加速度可由牛顿第二定律得到)。由于惯性导致支持力减少为使得摩擦阻力大于物体的惯性和重力的分力差的最大值即为临界加速度大小。当斜面开始向左加速运动时,由于惯性作用支持力会减少同时使静摩擦力达到最大值以便保证物体的平衡性达到该最大加速度(而非简单滑动)。所以要求斜面加速时的最大加速度必须小于等于该临界加速度值以避免物体开始滑动。此时最大加速度为a=(μgcosθ)/sinθ。因此当斜面以小于等于这个值的加速度向左加速运动时物块仍能静止在斜面上而不会发生滑动现象。此外随着斜面加速度的增大当达到一定程度时物块将开始沿斜面下滑此时加速度大小应大于上述临界值。同时要注意在解题过程中应用牛顿第二定律进行受力分析以及加速度的求解是解题的关键步骤之一。根据题意我们可以知道物体与斜面的相互作用力的临界情况是支持力FN=0时的临界加速度为零这也是解题的重要思路之一。同时要注意最大静摩擦力可认为等于滑动摩擦力这一条件的应用以及重力加速度g的代入计算等细节问题以确保解题的准确性。二:相对滑动临界
当静摩擦力达到最大值时,物体间就会发生相对滑动。相对滑动的临界条件是静摩擦力等于最大静摩擦力。当有多个静摩擦力存在时,这些静摩擦力不一定同时达到最大值,需要根据具体情况判断哪一个先达到最大值。例如在一个水平面上放置一个木块,施加逐渐增大的拉力,当拉力使得静摩擦力达到最大静摩擦力时,再稍微增大拉力,木块就会相对于平面滑动。此时的状态就是相对滑动的临界状态。
例题:在一个水平地面上放置两个物体A和B它们之间有一定的摩擦力存在如果我们在A上施加一个向右的水平推力那么在什么条件下A和B会发生相对滑动呢?根据物理学的知识我们知道当这个推力小于或等于A和B之间的最大静摩擦力时它们不会发生相对滑动也就是说在推力达到最大静摩擦力的临界点时会发生相对滑动三:绳子绷紧与松弛临界 绳子绷紧可以提供拉力而松弛则不能当绳子连接物体做圆周运动时如果绳子拉力刚好减小到零那么绳子就处于松弛临界状态例如用绳子拴住一个小球在竖直平面内做圆周运动当小球运动到最高点速度较小时绳子拉力减小到零的瞬间就是绳子松弛临界小球将做抛体运动另外绳子的断与不断的临界条件是绳中张力等于所能承受的最大张力绳子松弛与绷直的临界条件是绳中张力为零而满足张力为零的条件即要求两物体的相对位置变化率保持一定即两个物体的运动状态相同以保证张力的稳定而不会超过承受能力产生断裂等问题例题一个气球由地面升上空中直到升力的总的变化一直不能支撑住整个气球的体积的过程中存在一个过程由于地球吸引力而造成的悬链从向下转为向上拉开如果悬挂的气球体积足够大那么气球内部的气压足够大使得气球内部的气压始终大于大气压力因此气球始终不会破裂同时随着气球升空悬链会绷紧直至达到一个临界点使得气球内部的气压和大气压力相等悬链恰好被拉直这样我们就确定了气球的升起过程中的安全界限也是考虑气体压力和材料承受能力确定的一个重要标准四:加速度最大最小临界 物体在多个力作用下加速度会随某个力的变化而变化如一个物体受弹簧弹力和摩擦力当弹簧弹力最大或最小时加速度就会达到相应的最大值和最小值以在粗糙斜面上放置一个与弹簧相连的物体为例当弹簧拉伸或压缩到极限时物体受到的合外力达到极值加速度也就达到最大或最小临界状态同时速度达到
