(2)对火车进行受力分析:火车受铁轨支持力FN的方向不再是竖直向上,而是斜向弯道的内侧,同时还有重力G
(3)支持力与重力的合力水平指向内侧圆心,成为使火车转弯所需的向心力。
(4)转弯处要选择内外轨适当的高度差,使转弯时所需的向心力完全由重力G和支持力FN提供,这样外轨就不受轮缘的挤压了。
例2 汽车过拱桥
质量为m的汽车在拱桥上以速度υ前进,桥面的圆弧半径为r,求汽车通过桥的最高点时对桥面的压力。
解析:选汽车为研究对象,对汽车进行受力分析:汽车在竖直方向受到重力G和桥对车的支持力F1作用,这两个力的合力提供向心力、且向心力方向向下
G - N = m 得N = G -m
又因支持力与汽车对桥的压力是一对作用力与反作用力,
所以N′ = N = G -m
(1)当υ=时,N′=0 (2)当0≤υ<时,0<N′≤mg
(3)当υ>时,汽车将脱离桥面,发生危险。
评注 上述过程中汽车虽然不是做匀速圆周运动,但我们仍然使用了匀速圆周运动的公式。原因是向心力和向心加速度的关系是一种瞬时对应关系,即使是变速圆周运动,在某一瞬时,牛顿第二定律同样成立,因此,向心力公式照样适用。
例3 竖直平面内的圆周运动
在竖直平面内圆周运动能经过最高点的临界条件:
1、用绳系小球或小球沿轨道内侧运动,恰能经过最高点时,满足弹力N=0,重力提供向心力mg=m 得临界速度υ0=
当小球速度υ≥υ0时才能经过最高点
2、用杆固定小球使球绕杆另一端做圆周运动经最高点时,由于所受重力可以由杆给它的向上的支持力平衡,由mg-N=m=0得临界速度υ0=0
当小球速度υ≥0时,就可经过最高点。
3、小球在圆轨道外侧经最高点时,mg-F=m