Question

消防隊(duì)員為了縮短下樓的時(shí)間，往往抱著豎直的桿直接滑下．在一次訓(xùn)練中，一名質(zhì)量為60kg、訓(xùn)練有素的消防隊(duì)員從離地面18m的高度抱著兩端均固定、質(zhì)量為200kg的豎直桿以最短的時(shí)間滑下，要求消防隊(duì)員落地的速度不能大于6m/s．已知該消防隊(duì)員對桿作用的最大壓力為1800N，他與桿之間的動(dòng)摩擦因數(shù)為0.5，當(dāng)?shù)氐闹亓�加速度為g=10m/s²．求：
（1）消防隊(duì)員下滑過程中的最大速度．
（2）消防隊(duì)員下滑的最短時(shí)間．
（3）請?jiān)谟覉D中作出桿對地面的壓力隨時(shí)間變化的圖象．

Answer 1

解：消防隊(duì)員先以最大加速度--重力加速度加速下滑，然后以盡可能大的加速度作減速運(yùn)動(dòng)，即運(yùn)動(dòng)過程為先加速后減速．當(dāng)手和腿對桿施加最大壓力時(shí)（就是抱緊桿的力）其受到的滑動(dòng)摩擦力最大，此時(shí)減速的加速度值為最大．
（1）最大滑動(dòng)摩擦力f_max=μN(yùn)=0.5×1800N=900N，
減速的加速度由牛頓第二定律可知=5m/s²=5m/s²，
設(shè)消防隊(duì)員加速下滑的距離為h₁，減速下滑的距離為（H-h₁），
加速階段的末速度是減速階段的初速度為υ_max，由題意和勻變速運(yùn)動(dòng)的規(guī)律有：
，，
由此式解得 m=7.2m，
消防隊(duì)員最大速度為m/s=12m/s；
（2）加速時(shí)間：s=1.2s，
減速時(shí)間：s=1.2s，
下滑的時(shí)間 t=t₁+t₂=1.2+1.2=2.4s，
（3）將消防隊(duì)員與桿作為整體為研究對象時(shí)，加速階段消防隊(duì)員完全失重，
桿受到地面的支持力等于桿的重力，即N₁=Mg=2000N，加速下滑，
消防隊(duì)員超重，N₁=Mg+m（g+a）=2900N．
桿對地面的壓力隨時(shí)間變化圖象如圖所示．
答：（1）消防隊(duì)員下滑過程中的最大速度為12m/s．
（2）消防隊(duì)員下滑的最短時(shí)間為2.4s．
（3）桿對地面的壓力隨時(shí)間變化的圖象如圖所示．
分析：（1）消防隊(duì)員自由下落的末速度最大，根據(jù)自由下落的位移和勻減速直線運(yùn)動(dòng)的位移為18m，以及著地速度不超過6m/s，運(yùn)用運(yùn)動(dòng)學(xué)公式求出下落的最大速度．
（2）先做自由落體運(yùn)動(dòng)，然后以最大加速度做勻減速直線運(yùn)動(dòng)，時(shí)間最短，根據(jù)速度時(shí)間公式分別求出自由落體運(yùn)動(dòng)時(shí)間和勻減速直線運(yùn)動(dòng)的時(shí)間，從而得出最短時(shí)間．
（3）對桿進(jìn)行受力分析，求出各階段桿的受力情況，然后作出圖象．
點(diǎn)評：分析消防隊(duì)員的運(yùn)動(dòng)過程，應(yīng)用牛頓第二定律、運(yùn)動(dòng)學(xué)公式進(jìn)行分析答題，解決本題的關(guān)鍵搞清消防員的運(yùn)動(dòng)過程，知道加速度是處理動(dòng)力學(xué)問題的橋梁．