Question

10．用均勻材料制成的浮子，具有由兩個(gè)半徑皆為R的球冠圍成的外形，像-粒豆子． 浮子的厚度h＜2R，質(zhì)量為m₁．沿浮子對(duì)稱(chēng)軸向浮子插入一細(xì)輻條，穿過(guò)整個(gè)厚度．輻條長(zhǎng)l＞h，質(zhì)量為m₂當(dāng)將浮子輻條向上浸于水中時(shí)，浮子只有少部分沒(méi)于水中．浮子的狀態(tài)是穩(wěn)定的嗎？

Answer 1

分析 研究輻條稍微偏離平衡位置α角的情況，取過(guò)OO′的垂直于紙面的直線作為轉(zhuǎn)軸，此時(shí)浮力的力矩為為，只要浮子重力的力矩大于輻條重力的力矩，就是穩(wěn)定平衡，求出力矩之和M，根據(jù)M＞0，對(duì)應(yīng)穩(wěn)定狀態(tài)．M=0對(duì)應(yīng)隨遇平衡．M＜0對(duì)應(yīng)不穩(wěn)定平衡．

解答 解：研究輻條稍微偏離平衡位置α角的情況，作用在浮子上的浮力沿豎直線OO′，OO′通過(guò)浮子水下部分的受力中心（浮心），且與輻條交于下球冠的球心C處．
浮子重心P與OO′的距離為（R-$\frac{h}{2}$）sinα
輻條中心與OO′的距離為（$\frac{l}{2}$-R）sinα
取過(guò)OO′的垂直于紙面的直線作為轉(zhuǎn)軸，此時(shí)浮力的力矩為為，只要浮子重力的力矩大于輻條重力的力矩，就是穩(wěn)定平衡，否則則是隨遇平衡或不穩(wěn)定平衡．
力矩之和
  M=m₁g（R-$\frac{h}{2}$）sinα-m₂g（$\frac{l}{2}$-R）sinα
=（m₁+m₂）Rg-（m₁h+m₂l）$\frac{g}{2}$
則M＞0，對(duì)應(yīng)穩(wěn)定狀態(tài)；M=0對(duì)應(yīng)隨遇平衡；M＜0對(duì)應(yīng)不穩(wěn)定平衡；
答：當(dāng)（m₁+m₂）Rg-（m₁h+m₂l）$\frac{g}{2}$＞0，對(duì)應(yīng)穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)（m₁+m₂）Rg-（m₁h+m₂l）$\frac{g}{2}$=0，對(duì)應(yīng)隨遇平衡；當(dāng)（m₁+m₂）Rg-（m₁h+m₂l）$\frac{g}{2}$＜0時(shí)對(duì)應(yīng)不穩(wěn)定平衡．

點(diǎn)評(píng) 解決本題的關(guān)鍵要理解物體穩(wěn)定的條件，知道力臂是力到力的作用線的垂直距離．