三根火柴受力分析


三根火柴承水

将三根火柴杆命名为杠杆、撑杆和水平杆,如图所示。不考虑杆与杆、杆与绳之间因接触不好而产生的滑脱现象。

1、杆的强度破坏

撑杆对杠杆有一竖向作用力,可能让杠杆折断;撑杆对水平杆有一向下的作用力,可能让水平杆折断;撑杆是二力杆,不可能被压碎。设纯净水的重量为P,距桌子边缘的距离为e,若一直保持e为零,则不会发生杠杆翘起破坏,撑杆对杠杆的支撑力为F,由于L远远大于e,比如说100倍,当P=5kg时,F只有0.05kg,不足以让三根杆产生破环。

2、无变形失稳

挂水瓶时,绳子可能晃动,使得P偏移,e增大,但这点没有根据,可以不计。另外,增加水瓶后,撑力F的水平分量增大,它有可能克服杠杆与桌面的摩擦阻力,使得杠杆向外偏移。但增加水瓶后,杠杆对桌面的正压力也增加,相应的摩阻力也增加了,可以不考虑杠杆的移动。所以,不考虑变形时,体系不发生垮塌。

3、变形后失稳

继续增加荷载时,水平杆发生弯曲变形,下图可以清楚看到。

这就导致了撑杆火柴头的下降,从而使得杠杆翘起。杠杆翘起后,P力发生了变化,它可以分解一个沿杆轴线方向的下滑力,正是此下滑力导致了整个体系的垮塌。所以,最后结果是水平杆弯曲、杠杆翘起,下滑力导致体系垮塌,与所观察情况完全一致。


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