本文所講的問題,或許在很多人看來不是問題。但它卻被多個(gè)物理愛好者反復(fù)質(zhì)疑和討論,所以還是有寫一寫的必要。如下圖,一根輕繩繞過輕質(zhì)動(dòng)滑輪,滑輪上吊著一個(gè)重物,當(dāng)斜向上拉繩時(shí),滑輪和重物被拉起來了。 圖1. 動(dòng)滑輪示意圖 問題:既然繩只能提供沿自身方向的拉力,但滑輪卻受到了向上的力,該如何解釋這個(gè)力?你可能認(rèn)為很簡單:把滑輪和重物的整體當(dāng)作質(zhì)點(diǎn),按力的合成法則,這個(gè)力就是繩的拉力的合力嘛,其值為 ,方向豎直向上。圖2. 力的合成法則 但有很多人對(duì)此并不認(rèn)同:繩明明是沿著切向拉的,滑輪怎么會(huì)獲得向上的力呢?他們認(rèn)為:拉力作用在繩上的,沒有作用在滑輪上,但滑輪卻莫名其妙地獲得了一個(gè)向上的力,這是為什么呢?按力的合成來分析,雖然結(jié)論是對(duì)的,但并沒有解釋滑輪所受的向上的力是如何產(chǎn)生的。畢竟,力的作用,必須要明確,受力、施力物體是什么?作用點(diǎn)在哪里?很多人并沒有想清楚,他們甚至想當(dāng)然地認(rèn)為:滑輪受到了向上的拉力!但問題是,繩子又沒有系在輪子上,它只是繞過滑輪,你說它在拉滑輪?但拉力不是只能沿著繩子的方向嗎?其實(shí),繩子壓根沒有拉滑輪,實(shí)際上,它在壓滑輪!沒錯(cuò),起作用的是繩子對(duì)滑輪的壓力!壓得越厲害,拉得越有力。是不是有點(diǎn)懵?沒關(guān)系,繼續(xù)往后看,你肯定會(huì)懂的。由于繩子和滑輪都是輕質(zhì)的,因此繩子的拉力大小處處相同,但方向是變化的,它總是沿著所在位置的切線方向,正是這種變化提供了對(duì)滑輪的各處的正壓力。如下圖所示,綠色粗線代表繞在輪邊緣上的繩子,現(xiàn)在取某個(gè)點(diǎn) 處的一段微元 來研究,如圖中紅色粗線所示,它對(duì)應(yīng)的圓心角為 。
圖3. 對(duì)繩的微元的受力分析
注意,微元 看起來比較長,這是為了看清楚而故意畫長了的,其實(shí)它無限短,可看作 處的一個(gè)點(diǎn)。 現(xiàn)在對(duì) 作受力分析,如圖3所示。首先,它受兩端的拉力,大小都為 ,方向分別沿 的端點(diǎn)的切向,與 的中點(diǎn)的切向的夾角都為 ;另外, 還受到輪子給它的正壓力 ,方向沿法向往外。由于是輕繩,其所受法向合外力必為零,即 回想剛才說過的, 其實(shí)是一個(gè)點(diǎn),故 無窮小,此時(shí) 故所受正壓力 即為 根據(jù)牛頓第三定律,滑輪也受到來自 同樣大小的正壓力 ,方向沿法向往內(nèi),即將這個(gè)正壓力除以 ,得繩對(duì)滑輪邊緣單位長度的正壓力,記作 ,即 這是一個(gè)定值,故繩對(duì)滑輪的正壓力是均勻的,它總是等于繩拉力與輪半徑的比值。上面給出的 只是滑輪邊任意點(diǎn)的受繩的正壓力,其它任意點(diǎn) 也都如此,因此可記作 所有這些正壓力沿豎直方向的分量 的總和,就是繩為滑輪提供的豎直方向的力 ,如下圖中紅色箭頭所示。圖4. 滑輪邊緣各處的正壓力的豎直分力 現(xiàn)在你明白了,動(dòng)滑輪所受到向上的力 ,是由無數(shù)個(gè)這樣的 積累而成的,它們對(duì)應(yīng)無數(shù)個(gè)正壓力 豎直分量。當(dāng) 趨于零時(shí),上式變?yōu)榉e分式 計(jì)算得 。由于 與圖1中的 互余,故結(jié)論與用力的合成法則得到的結(jié)果一致。 到此,關(guān)于動(dòng)滑輪是如何被繩子拉起來的問題,解釋完畢。所得結(jié)論是:動(dòng)滑輪之所以被繩子'拉'起來,并非是拉力直接導(dǎo)致的,而是繩子在所有點(diǎn)的壓力的豎直分力的合力造成的。實(shí)際上,不光動(dòng)滑輪如此,定滑輪,甚至任何被繩子纏繞的物體都是因?yàn)槭艿嚼K子的壓力,才被繩子拉動(dòng)的。例如,對(duì)定滑輪來說,它受到繩的正壓力也滿足上述規(guī)律,讀者可自行分析之。圖5. 定滑輪的情形 很多人以為輕繩只能產(chǎn)生拉力,現(xiàn)在看到,輕繩還可以產(chǎn)生壓力。而既然繩子能產(chǎn)生壓力,那么它當(dāng)然還可以產(chǎn)生摩擦力!因此,順著本文所給的正壓力的分析結(jié)果,你就可以直達(dá)摩擦力的規(guī)律。它的最終結(jié)論由著名數(shù)學(xué)家歐拉給出,是無數(shù)個(gè)“歐拉公式”中的一個(gè)。
轉(zhuǎn)載內(nèi)容僅代表作者觀點(diǎn)
不代表中科院物理所立場
|