Question

【题目】一辆质量m＝2.0 t的小轿车驶过半径R＝90 m 的一段圆弧形桥面，取g＝10 m/s2.问：

(1)若桥面为凹形，汽车以20 m/s的速度通过桥面最低点时，对桥面的压力是多少？

(2)若桥面为凸形，汽车以10 m/s的速度通过桥面最高点时，对桥面的压力是多少？

(3)汽车以多大的速度通过凸形桥面顶点时，对桥面刚好没有压力？

Answer 1

【答案】（1） （2） （3）

【解析】

汽车通过凹形桥面的最低点时，在水平方向上受到牵引力F和阻力f的作用，在竖直方向上受到桥面向

上的支持力FN1和向下的重力G＝mg的作用，如图甲所示.圆弧形轨道的圆心在汽车的正上方，支持力FN1与重力G＝mg的合力为FN1－mg，这个合力就是汽车通过桥面的最低点时的向心力，即F向＝FN1－mg.由向心力公式有：

解得桥面对汽车的支持力大小为：

FN1＝m＋mg＝2.89×104 N

根据牛顿第三定律知，汽车行驶在桥面最高点时对桥面的压力大小是2.89×104 N.

(2)汽车通过凸形桥面最高点时，在水平方向上受到牵引力F和阻力f的作用，在竖直方向上受到竖直向下的重力G＝mg和桥面向上的支持力FN2的作用，如图乙所示.圆弧形轨道的圆心在汽车的正下方，重力G＝mg与支持力FN2的合力为mg－FN2，这个合力就是汽车通过桥面顶点时的向心力，即：F向＝mg－FN2.

由向心力公式有：

mg－FN2＝m

桥面的支持力大小为：

FN2＝mg－m＝1.78×104 N

根据牛顿第三定律知，汽车行驶在桥面最高点时对桥面的压力大小是1.78×104 N.

(3)设汽车的速度为vm时，汽车通过凸形桥面顶点时对桥面的压力为零.根据牛顿第三定律，这时桥面对汽车的支持力也为零，汽车在竖直方向上只受到重力G的作用，重力G＝mg就是汽车驶过桥顶点时的向心力，即F向＝mg，由向心力公式有：

解得：

所以汽车以30 m/s的速度通过凸形桥面的顶点时，对桥面刚好没有压力.