求物理力学帝!两柔性绳,两小球,悬挂,小球间刚性连接,求两绳的拉力!已知绳长,球重,连杆长。

A,B为两小球,质量分别为m1,m2,不一定相等,体积忽略。
AB刚性连接,连接杆质量忽略不计。
C,D固定在天花板上。
AB的长度=CD的长度=L,AC长a,BD长b。
图中标记的3个角均未知。
求AC绳拉力和BD绳拉力。(图中点划线均为水平线和竖直线)
不胜感激,可加扣讨论。

整体受力分析或者单独受力分析。F1F2分别表示ca段和db段绳子拉力
整体法:
竖直方向上 F1cosα+F2cosγ=(m1+m2)g   
水平方向上 F1sinα=F2sinγ

ps:整体法比较难以表现出具体关系,推荐单独分析

单独分析: 因为是二力杆,那么此时受力方向必须沿着杆方向。

A竖直方向 F1cosα=m1g+F杆sinβ 方程1
水平方向 F1sinα=F杆cosβ 方程2

同理对B分析 F2cos伽马+F杆sinβ=m2g 方程3
F2sinγ=F杆cosβ 方程4

那么再加上这里一些长度关系,就有了
casinα+dbsinγ+abcosβ= cd 方程5
(cacosα+absinβ)^2+bdsinγ^2=bd^2 方程6
六个未知数,六个方程,解出来就可以了

再ps:将物理转化为纯数学计算,下面就看数学功底了,汗颜,当年几何学的飞起,代数学的比较惨淡,楼主就自己计算下吧,O(∩_∩)O~
温馨提示:答案为网友推荐,仅供参考
第1个回答  2013-04-09
思路:
一、先从几何关系求出角度 α、β、γ。(四条边长都已知的四边形ABCD,必能求得上述三个角度)
二、将两个小球以及轻杆作为一个整体,对整体分析受力(重力、AC绳拉力、BD绳拉力),因整体静止,合力必为0。用正交分解法可得各力的关系式(水平、竖直分解,二个方程)。解方程组可得结果。
Fac*cosα+Fbd*cosγ=(m1+m2)g   竖直方向
Fac*sinα=Fbd*sinγ          水平方向
注:因运算过程麻烦,在这打字不容易。追问

整体受力分析没有问题,建立两个方程也没有问题。问题是四条边已知的四边型是无法求得角度,因为只知道四个边长无法确定一个四边形,不像三角形知道三边长就能确定所有角度。不过非常感谢您的回答。
力的表达式中有角度,角度还是无法用显式表达,看来只能用隐式表达了,谢谢!

追答

看来你是纠结在求角度这个环节上。
由图可知,水平方向有
CD=AC*sinα+AB*cosβ+BD*sinγ
即 L=a*sinα+L*cosβ+b*sinγ  ----方程1
竖直方向有
BD*cosγ=AB*sinβ+AC*cosα
即 b*cosγ=L*sinβ+a*cosα  -----方程2

  由于杆是“轻”的,所以在整体静止的情况下,杆中的弹力必沿着杆!
对整体(两个球与杆组成)应用合力矩为0的条件,得
Fac* cosα * ( AB* cosβ )=Fac * sinα * ( AB * sinβ )   以B球为转动轴
即 cosα * cosβ = sinα * sinβ -----方程3
可见,以上三个方程联立,必可求得三个角度α、β、γ 。

追问

非常感谢您的回答!很清晰明了。但是总觉得哪里不对:根据方程3,将右边全部移到左边,可以得到α+β是等于π/2的。同理,以A球为旋转轴可以得到β是等于γ的。这感觉不太可能,因为如果AC=BD时,考虑到AB=CD,那么应该是α=β=γ=0,而不是α+β是等于π/2。可能是我想错了,求解释!

追答

不好意思,合力矩为0的方程漏了A球的重力的力矩。正确的应为
Fac* cosα * ( AB* cosβ )=Fac * sinα * ( AB * sinβ )+m1*g * AB*cosβ   以B球为转动轴
即 Fac* cos(α+β)=m1*g * cosβ   ----方程3

这样就有5个方程来求解。即

Fac*cosα+Fbd*cosγ=(m1+m2)g   竖直方向
Fac*sinα=Fbd*sinγ          水平方向
L=a*sinα+L*cosβ+b*sinγ  ----方程1

b*cosγ=L*sinβ+a*cosα  -----方程2

Fac* cos(α+β)=m1*g * cosβ   ----方程3
注:5个未知数,5个方程,可解。

追问

追问完之后按照合力距自己推了下,确实如此。给力,采纳!

本回答被提问者和网友采纳
第2个回答  2013-04-09
眼见着方程可能比较复杂,提供一个思路
带球杆AB的质心与CA 、DB延长线的焦点在同一铅垂线上,这样三个角的几何关系就确定了。
因为把AB球移动到质心,受力不变,所以重力和两绳拉力方向的焦点应该在同一铅垂线上,否则就会出现转矩,造成不平衡。追问

好思路!!!
但是带球杆AB的质心与CA 、DB延长线的交点是在同一铅垂线上吗?从直观的分析,也就是感觉起来是这样,但是该如何证明?

追答

这个貌似有个定理可以变形成这样,太久了忘了。我是这样想的,滑珠法。把其中一个小球任意的沿着自己那边的绳子无限上下滑动,则对边的小球的状态必是唯一对应。如果,杆的长度可以调整最后沿至焦点整个过程受力不变,连杆始终保持平行。那么两个球就缩成一个点了。

第3个回答  2013-04-09
运用整体平衡的观点去看待。你分析下每个小球的受力就是了。一定要抓住整体平衡的观点。追问

能详细一点吗?如何整体平衡?将两个小球和连杆当作一个物体?这个问题卡了3天了,迫切求指点!

第4个回答  2013-04-10
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