等效力法,就是通过力的合成或者力的分解,用假设的合力或者分力,甚至矢量和为零的合力,即平衡力系,来代替和变换物体实际受到的力。
例1、如图所示,有20牛顿 、30牛顿和40牛顿三个力作用在物体的同一点,且彼此夹角均为120°。 求合力的大小和方向。
解析:根据三个大小相等的共点力彼此互成 120°时,其合力为零,从而可以通过增减一个合力为零的力系,对物体的受力进行等效变换。
方法一:如图所示,从原力系中减去一个由三个其点力组成的平衡力系----每个力大小为20牛顿,而互成120°。这样,不仅将三个力的合成问题变成两个力的合成题:一个10牛顿,一个20牛顿,夹角为120°,而且还可以明显看出:由于F1:F2=2:1,且平行四边形中的税角为60°,故合力F与F2的夹角为90°或者与F1的夹角为30°、大小F=F1sin60°=。
方法二: 如图所示,在原力系中加上一个由三个共点力组成的平衡力系----每个力大小为20牛顿,互成120°,且各力正好与原来的三个力反向。这样,同样可以将三个力的合成问题变成两个力的合成问题,结果与方法一完全相同。
例2、小车重力为G ,在卷扬机的牵引下沿水平面运动,且与地面的动摩擦因数为μ。求最佳牵引角和最小牵引力。
解析:小车受到四个力的作用。设支持力N与摩擦力的合力为R.且与坚直方向的夹角为φ ,则将力系简化为三个共点力的问题(如图所示)。
当匀速拉动小车时,三个共点力平平衡。根据拉密定理---当三个共点力 平衡时,各力与其所对角的正弦成正比(读者可根据三力构成的实量三角形,利用正弦定理很容易证明),有:
所以,拉力F为 (1)
根据摩擦力f=μN,则摩擦角φ:
tanφ = f / N = μ (2)
(1)式表明:当cos(φ-θ) =1最大,即φ – θ = 0时,牵引力最小。所以,最佳牵引角为θ = φ =arctan μ最小牵引力为
例3、如图所示,三个同样的带电单摆a、b和c,分别置于重力场、匀强磁场和点电荷电场中,则其简谐振动周期(T)的关系为( )
A. Ta =Tb =Tc
B. Ta > Tb > Tc
C. Ta < Tb < Tc
D.不能判定
解析:三个单摆在振动中受到的力均不相同:处于重力场中的摆球,受到绳的拉力与重力作用;处于磁场中的摆球,还要受到洛伦兹力的作用;而处于电场中的摆球,则还要受到库仑力的作用。但是,由于洛伦兹力和库仓力始终沿摆线方向,即法线方向,在切线方向的分量为零,即不会影响产生简谐振动的回复力,因为三种情况下回复力具有等效性,就不改变单摆的振动周期。所以,应选答案A.
例4、如图所示,物块在力F作用下向右沿水平方向匀速运动,则物块受到的摩擦力Ff与拉力F的合力方向应该是( )
A.水平向右
B.竖直向上
C.向左偏上
D.向右偏上
解析:物体受四个力平衡,重力和支持力的合力(等效成一个力G’)竖直向下,所以物块可着作受三力平衡,在共点的三力平衡中,其中F与Ff的合力必与G’ 等大反向(竖直向上),因此B正确。