Question

一根长度为L的轻质直杆，两端各固定一个可视为质点的小球A和B，两球质量均为m，轻杆可以绕过其中点的水平轴在竖直平面内匀速运动．
（1）若直杆转动周期T=2，求直杆转到如图所示竖直位置时，A、B两球对直杆作用力各多大？方向如何？
（2）若要求直杆转到图示的位置时，直杆对A球的拉力恰好等于球的重力，求此情况下杆转动的周期和B球对直杆的作用力．

Answer

根据ω=求出小球转动的角速度．对两个小球受力分析，在竖直方向的合力提供圆周运动的向心力，根据牛顿第二定律求出杆子的作用力大小和方向．
【解析】
A、B两个小球随杆转动时，均以O为圆心在竖直平面内做匀速圆周运动，设小球运动的角速度为ω．
（1）若周期，则小球运动角速度 …①
运动中小球所需向心力的大小为：…②
对A球：在最高点时，小球所受重力大于它运动所需向心力，小球向下压直杆，杆对小球有向上的支持力FA，据牛顿第二定律，有mg-FA=mRω2…③
所以…④
在最高点时，A球对直杆有向下的压力…⑤
对B球：杆对小球的拉力F与重力的合力提供了小球运动所需向心力．有

所以… ⑥
在最低点，球对杆产生竖直向下的拉力，大小为
（2）若转到图示位置时，直杆对小球产生向下的拉力，即小球A受力与图示FA方向相反，据牛顿第二定律，有FA+mg=mR（ω′）2…⑦
由题设要求FA=mg代入上式得ω′=…⑧
此时直杆绕O轴的转动周期是…⑨
此时处于最低点的球B，有F′-mg=mRω2
F′=mg+mRω2=3mg
答：（1）若直杆转动周期T=2，直杆转到如图所示竖直位置时，A球对直杆有向下的压力 B在最低点，球对杆产生竖直向下的拉力，大小为
（2）此情况下杆转动的周期，B球对直杆的作用力3mg．