• توجه: در صورتی که از کاربران قدیمی ایران انجمن هستید و امکان ورود به سایت را ندارید، میتوانید با آیدی altin_admin@ در تلگرام تماس حاصل نمایید.

چه نسبتي از طناب با سطوح شيبدار در تماس نيست؟

parisa

متخصص بخش
سؤال
طنابي بر روي دو سطح شيبدار كه با سطح افقي زاويه‌اي نظير
Com-Ph-033.gif
مي‌سازند مطابق شكل 1 قرار گرفته است. طناب داراي جرم يكنواخت بوده و ضريب اصطكاك آن برابر 1 است. فرض كنيد سيستم داراي تقارن راست به چپ است.
به‌نظر شما چه نسبتي از طناب با سطوح شيبدار در تماس نيست؟ اين نسبت در چه مقدار از زاويه‌ي
Com-Ph-033.gif
حداكثر است؟



Com-Ph-033-01.gif

شكل

جواب



جرم طناب را
Com-Ph-033%20%281%29.gif
و نسبتي از آن را كه در هوا معلق قرار دارد
Com-Ph-033%20%282%29.gif
در نظر مي‌گيريم. اكنون به نيمه‌ي سمت راستي سيستم نگاهي مي‌كنيم. وزن طناب از رابطه‌ي ذيل به‌دست مي‌آيد:

Com-Ph-033%20%283%29.gif




(رابطه‌ي 1)
براي اين‌كه طناب بر روي سطح شيبدار ثابت باقي بماند بايد وزن طناب با مؤلفه‌ي عمودي تنش (نيروي كششي) در نقطه‌اي كه آن بخش از طناب در تماس با سطح قرار دارد برابر باشد. مؤلفه‌ي عمودي تنش (نيروي كششي) طناب در نقطه‌ي تماس با سطح
Com-Ph-033%20%284%29.gif
از رابطه‌ي ذيل به‌دست مي‌آيد:

Com-Ph-033%20%285%29.gif




(رابطه‌ي 2)
اكنون بخشي از طناب را در نظر بگيريد كه در سطح شيبدار سمت راست قرار دارد. جرم اين بخش از طناب از رابطه‌ي ذيل به‌دست مي‌آيد:
Com-Ph-033%20%286%29.gif

 

parisa

متخصص بخش
(رابطه‌ي 3)نيروي عمودي وارد شده از طرف سطح شيبدار از رابطه‌ي ذيل به‌دست مي‌آيد:
Com-Ph-033%20%287%29.gif




(رابطه‌ي 4)
بنابراين از آن‌جايي كه ضريب اصطكاك برابر 1 است
Com-Ph-033%20%288%29.gif
، حداكثر نيروي اصطكاك از رابطه‌ي ذيل حاصل مي‌شود:

Com-Ph-033%20%289%29.gif




(رابطه‌ي 5)
نيروي اصطكاك بايد با جمع مؤلفه‌هاي نيروهاي جاذبه‌ي طناب در امتداد سطح يعني:‌
Com-Ph-033%20%2810%29.gif
به‌علاوه‌ي تنش (نيروي كششي) طناب در قسمت پاييني آن (كه در بالا توضيح داديم) برابر باشند.
بنابراين داريم:
Com-Ph-033%20%2811%29.gif





(رابطه‌ي 6)
با حل رابطه‌ي فوق داريم:


Com-Ph-033%20%2812%29.gif




(رابطه‌ي 7)

كه در آن
Com-Ph-033%20%2813%29.gif
از رابطه‌ي ذيل به‌دست مي‌آيد:

Com-Ph-033%20%2814%29.gif



 

parisa

متخصص بخش
(رابطه‌ي 8)رابطه‌ي 7 نشان مي‌دهد يك تابع «اكيداً صعودي»‌ از
Com-Ph-033%20%2813%29.gif
است (مي‌توانيد اين موضوع را بررسي كنيد). بنابراين حداكثر ميزان
Com-Ph-033%20%282%29.gif
زماني حاصل مي‌شود كه
Com-Ph-033%20%2813%29.gif
تا آن‌جا كه ممكن است بزرگ باشد.

با استفاده از رابطه‌هاي مثلثاتي مربوط به
Com-Ph-033%20%2816%29.gif
خواهيم داشت:

Com-Ph-033%20%2817%29.gif





(رابطه‌ي 9)

حداكثر مقدار
Com-Ph-033%20%2813%29.gif
از برابر صفر قرار دادن مشتق رابطه‌ي 9 به‌دست مي‌آيد:


Com-Ph-033%20%2818%29.gif



(رابطه‌ي 10)

بنابراين داريم:


Com-Ph-033%20%2819%29.gif




(رابطه‌ي 11)

بنابراين حداكثر مقدار
Com-Ph-033%20%2813%29.gif
از رابطه‌‌ي ذيل به‌دست مي‌آيد:


Com-Ph-033%20%2820%29.gif


(رابطه‌ي 12)

با جايگذاري رابطه‌ي 12 در رابطه‌ي 7 خواهيم داشت:


Com-Ph-033%20%2821%29.gif



 
بالا