Question

如圖所示是建筑工地上常用的一種“深穴打夯機(jī)”，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)兩個(gè)滾輪勻速轉(zhuǎn)動(dòng)將夯桿從深坑提上來，當(dāng)夯桿底端剛到達(dá)坑口時(shí)，兩個(gè)滾輪彼此分開，將夯桿釋放，夯桿在自身重力作用下，落回深坑，夯實(shí)坑底，夯桿不反彈，設(shè)夯桿與坑底的接觸時(shí)間為t=1.0s，然后兩個(gè)滾輪再次壓緊，將夯桿提上來，如此周而復(fù)始．已知兩個(gè)滾輪邊緣的線速度恒為v=4.0m/s，每個(gè)滾輪對(duì)夯桿的正壓力均為F=2.0×10⁴N，滾輪與夯桿間的動(dòng)摩擦因數(shù)μ=0.30，夯桿質(zhì)量m=1.0×10³kg，坑深h=6.4m．假定在打夯的過程中坑的深度不變，g=10m/s²，求：
（1）從夯桿開始向上運(yùn)動(dòng)到剛開始勻速運(yùn)動(dòng)，夯桿上升的高度H是多少？
（2）每個(gè)打夯周期（從夯桿剛離開坑底到下一次夯桿剛離開坑底的時(shí)間）中，電動(dòng)機(jī)對(duì)夯桿做的功W；
（3）打夯周期T．

Answer 1

解：（1）對(duì)夯桿由牛頓第二定律得：
2μF-mg=ma，解得：a=2m/s²，
當(dāng)夯桿速度增加到4m/s時(shí)，
夯桿上升的高度為：H=，
解得：H=4m；
（2）電動(dòng)機(jī)對(duì)夯桿所做的功等于夯桿增加的機(jī)械能，
W=E_P+E_K=mgh+mv²=1.0×10³×10×6.4+×1.0×10³×4²=7.2×10⁴J；
（3）夯桿從開始運(yùn)動(dòng)到落回原處共經(jīng)歷四個(gè)運(yùn)動(dòng)過程：
向上勻加速運(yùn)動(dòng)、向上勻速運(yùn)動(dòng)、向上豎直上拋運(yùn)動(dòng)，向下自由落體運(yùn)動(dòng)．
勻加速運(yùn)動(dòng)的時(shí)間t₁===2s，
勻速運(yùn)動(dòng)的時(shí)間t₂===0.6s，
豎直上拋上升過程的運(yùn)動(dòng)時(shí)間t₃===0.4s，
豎直上拋的位移h′===0.8m，
自由落體運(yùn)動(dòng)：h+h′=gt₄²，
t₄===1.2s，
打夯周期T=t₁+t₂+t₃+t₄=4.2s；
答：（1）從夯桿開始向上運(yùn)動(dòng)到剛開始勻速運(yùn)動(dòng)，夯桿上升的高度H是4m．
（2）每個(gè)打夯周期中，電動(dòng)機(jī)對(duì)夯桿做的功為7.2×10⁴J．
（3）打夯周期為4.2s．
分析：（1）夯桿從靜止開始先做勻加速運(yùn)動(dòng)，當(dāng)夯桿的速度等于滾輪邊緣的線速度后開始做勻速直線運(yùn)動(dòng)，由牛頓第二定律求出夯桿做勻加速運(yùn)動(dòng)的加速度，然后由勻變速運(yùn)動(dòng)的速度位移公式求出夯桿上升的高度．
（2）電動(dòng)機(jī)對(duì)夯桿做功，轉(zhuǎn)化為夯桿的動(dòng)能與重力勢(shì)能，求出夯桿動(dòng)能與勢(shì)能的增加量即可求出電動(dòng)機(jī)對(duì)夯桿做的功．
（3）夯桿的運(yùn)動(dòng)過程包括：勻加速上升、勻速上升、豎直上拋、自由落體．求出整個(gè)過程的時(shí)間，即為打夯周期．
點(diǎn)評(píng)：解決本題的關(guān)鍵理清夯桿的運(yùn)動(dòng)過程，知道夯桿在一個(gè)周期內(nèi)先做勻加速上升，再做勻速上升，最后勻減速上升到零，做自由落體到坑底．