。再考虑到最大静摩擦力为,其中,为静摩擦系数,令临界推力等于最大静摩擦力,可得
消去G可知,可见,当
时,箱子将发生滑动,而不会翻转。若
时,箱子将不会被推动,而是翻转。可见如果想推动箱子,可以将h减小,即尽量使力的作用点低一些。
再来分析拉箱子时的受力。如图2所示,当在图示箱子右侧有施加拉力F时,同样假设F距离地面的高度为h,此时由于箱子相对于地面有向右的运动,其将产生向左的摩擦力,F与f也将产生力偶,该力偶同样会使得箱子具有顺时针翻转的趋势,为了平衡这种趋势,地面对箱子的摩擦力仍会向右集中,其等效集中力如图1(b),也会向右移动一定的距离,如图2所示。
图2 拉箱子受力图
对比图1(b)和图2,可以发现,虽然两者的作用点不一样,但其作用效果完全相同。实际上,只要力在其作用线上移动,就不会改变物体的受力状态,因此也可以将力的三要素由力的大小、方向、作用点,替换为力的大小、方向、作用线,如图3所示。
图3 推力沿其作用线滑移、作用效果不变
可以认为,对于推箱子而言,只要保持水平推力的方向不变,且作用点在力的作用线上,任意一点的作用效果都是相同的。这就说明,如果我们水平推、拉箱子,其作用效果完全相同,并不会出现一种情况比另一种情况省力的现象。我们之所以会感觉到推、拉效果不同还有另外的原因。
现在,我们假设在拉箱子的时候,作用力为斜向上方向,倾角为 θ 。规定推力斜向上时 θ 为正,斜向下时 θ 为负。设箱子已被推动,忽略矩平衡方程,列出水平方向和竖直方向的平衡方程为
图4 斜拉力示意图
这里,代入式(4)消去F N,得
式(5)中,由于 μ, G为常数,因此推力F就成了 θ 的函数。设箱子的重量为4000N,摩擦系数 μ =0.1,画出推力F和倾角 θ 的关系曲线,如图5所示,从图中可以看出当推力向上倾斜大约为 6 o 时取得最小值,此时最为省力。
图5 推力F和的关系曲线
在上述分析中,我们假设了地面不发生变形,如果地面较软的话,地面有可能发生变形,如图6(a)所示。当然,这种变形量很小,一般肉眼难以看出。对于这种情况,如果以倾斜向上的力拉箱子,箱子前端会略微抬起,如图6(b)所示,这将有利于拉动箱子。
图6 地面变形示意图
这种情况下,如果推箱子,斜向下用力,将会增加支撑力F N,如图7(a)所示,从而增加地面对箱子的摩擦力f,而且推动箱子向右运动的分力也会减小为Fcos θ。 如果斜向上用力,将增加箱子前端地面的变形量,从而增加阻力。从这个角度看,用具有恰当的向上倾斜的力拉动箱子才是省力的原因。
图7 地面变形示意图
综上所述,可见当不考虑地面变形时,用水平力推、拉箱子,其作用效果完全一样,并不存在哪种方式更省力。如果考虑实际情况,人们在拉箱子的时候,往往会有略微的倾角,如果该倾角接近于 6o ,将会起到省力的作用。如果考虑地面变形,由于箱子前端会陷入地面中(变形量很小),以倾斜向上的力拉箱子可减小箱子前端的阻力,从而达到省力的目的。
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