三根火柴受力分析


三根火柴承水

將三根火柴桿命名為杠桿、撐桿和水平桿,如圖所示。不考慮桿與桿、桿與繩之間因接觸不好而產生的滑脫現象。

1、桿的強度破壞

撐桿對杠桿有一豎向作用力,可能讓杠桿折斷;撐桿對水平桿有一向下的作用力,可能讓水平桿折斷;撐桿是二力桿,不可能被壓碎。設純凈水的重量為P,距桌子邊緣的距離為e,若一直保持e為零,則不會發生杠桿翹起破壞,撐桿對杠桿的支撐力為F,由于L遠遠大于e,比如說100倍,當P=5kg時,F只有0.05kg,不足以讓三根桿產生破環。

2、無變形失穩

掛水瓶時,繩子可能晃動,使得P偏移,e增大,但這點沒有根據,可以不計。另外,增加水瓶后,撐力F的水平分量增大,它有可能克服杠桿與桌面的摩擦阻力,使得杠桿向外偏移。但增加水瓶后,杠桿對桌面的正壓力也增加,相應的摩阻力也增加了,可以不考慮杠桿的移動。所以,不考慮變形時,體系不發生垮塌。

3、變形后失穩

繼續增加荷載時,水平桿發生彎曲變形,下圖可以清楚看到。

這就導致了撐桿火柴頭的下降,從而使得杠桿翹起。杠桿翹起后,P力發生了變化,它可以分解一個沿桿軸線方向的下滑力,正是此下滑力導致了整個體系的垮塌。所以,最后結果是水平桿彎曲、杠桿翹起,下滑力導致體系垮塌,與所觀察情況完全一致。


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