在光滑的圆锥顶端用长为L的细绳悬有质量为m的小球,圆锥的顶角为2

在光滑的圆锥顶端用长为L的细绳悬有质量为m的小球,圆锥的顶角为2θ,当圆锥和球一起以角速度ω匀速转动时,球紧压锥面,此时绳的张力为______;要使小球离开锥面,则小球和锥面的角速度至少应为______.

答案

解析:如图所示,小球受三个力作用:重力mg、锥面支持力FN(垂直锥面向上)和绳的拉力Ft,在水平面内做匀速圆周运动,圆心在O′点,半径为r=Lsinθ.将FN、Ft沿水平方向和竖直方向正交分解,应用牛顿第二定律得:

水平方向上:Ftsinθ-FNcosθ=mrω2

竖直方向上:Ftcosθ+FNsinθ-mg=0,

以上三式联立解得绳子的张力大小为:

Ft=m(gcosθ+Lsin2θω2)

设小球和锥面转动的角速度为ω0时,小球与锥面间的弹力FN=0,此时小球即将脱离圆锥面,细绳与竖直方向的夹角仍为θ,小球在水平面内做匀速圆周运动所需的向心力由重力mg和绳子的拉力Ft的合力提供:mgtanθ=m(Lsinθ)ω02,于是求得ω0=

答案:m(gcosθ+Lsin2θω2)    


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