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各向异性摩擦

摩擦力并不总是各向同性的。通常,摩擦力的大小和方向可能取决于物体的运动方向。例如,在物体的接触面上存在固定方向的 "沟槽 "时,会产生摩擦各向异性(已知橡木对橡木沿木纤维纹理方向的摩擦系数等于0.48,而橡木对橡木沿着纤维交叉方向的摩擦系数为0.34)。摩擦力中各向异性的存在会导致运动的异常特性,本问题研究的就是这个特性。

关于各向异性摩擦力,你需要知道如下内容

假设一个表面是由一种各向异性材料制成的。其中一个最流行的各向异性摩擦力模型表明,存在相互垂直的轴X和Y(称为 主轴),使得作用在物体上的摩擦力 $\vec F$, 取决于物体的运动方向,具体如下:

$$\begin{matrix} F_x &=-\dfrac{|N|}{|v|} \mu_x v_x \\ F_y &=-\dfrac{|N|}{|v|} \mu_y v_y \end{matrix}$$

其中$F_x$,$F_y$是摩擦力的分量,N是作用在物体上的法向正压力,$v_x$和$v_y$是速度矢量$\vec v$的分量,$\mu_x$和$\mu_y$是沿主轴方向的摩擦系数。

下面假设平面上的坐标轴与主轴重合。除非另有说明,摩擦系数为$\mu_x=0.75$,$\mu_y=0.5$。

在A、B两部分中,可以认为物体是质点。在问题的所有部分中,物体运动的平面是水平的。

尽可能提供一个数字答案。

A部分.物体在水平面上的运动(4.0分)

A1

物体的速度矢量应与X轴成多大角度$\alpha_1$,摩擦力功率的绝对值才会最大?


A2

物体的速度矢量与X轴成多大角度$\alpha_2$,可以使摩擦力功率绝对值的1.2倍小于最大值?


A3

设物体的初速度的投影为$v_{0x}=1$ m/s,$v_{0y}=1$m/s。一段时间后,速度在Y轴上的投影等于$v_{1y}=0.25$m/s。此时物体速度的大小是多少?


A4

设物体的速度大小等于$v_2=1.0$ m/s。速度矢量与X轴成什么角度$\alpha_3$时,物体运动轨迹的曲率半径最小?这个半径等于多少?自由落体加速度为$g=9.8$ m/s${}^2$。


A5

对于前面指出的摩擦系数,在一张图上定性地勾画出发射角分别为$\alpha_4=\pi/6$和$\alpha_5=\pi/3$时,物体在XY平面的轨迹。初速度的大小都相同。如果摩擦系数为$\mu_x=0.4$,$\mu_y=0.7$,求同样的问题。


B部分.物体开始运动的条件(2.0分)

B1

一个质量为m的物体静止在原点。对其施加一个力,并与X轴成角α,力的大小$F(t)=\gamma t$与时间成正比。忽略停滞效应,求出该物体从原点开始运动时的时间时刻t与角度α的关系。


C部分 圆周运动(4.0分)

两个质量为m的可近似为质点的物体,位于各向异性摩擦力的表面上,并由长度为L=1m的无质量不可伸缩杆连接。杆沿着Y轴方向放置,并且不与表面接触。给其中一个物体一个垂直于杆的初始速度。

C1

设定物体的初始速度为$v_0$,求其后续速度v与杆的旋转角度$\varphi$的关系,假设后续运动中另一物体始终处于静止状态。


C2

求出初始速度的最大值$v_{0\mathrm{max}}$,在这个值上,另一个物体仍将保持静止状态。


C3

当物体以初始速度$v_{0\mathrm{max}}$运动时,从开始到完全停止该物体移动的距离是多少?