(12分)一重为G的小球,套于竖直放置的半径为R的光滑大圆环上,一劲度系数为k,自然长度L(L<2R)的轻质弹簧,其上端固定在大圆环的最高点,下端与小球相连,如图4-19所示,不考虑一切摩擦.求小球静止时弹簧与竖直方向的夹角.(静止时弹簧不竖直)
图4-19
【解析】:如图所示,连接BC,设弹簧与竖直方向夹角为θ,△ABC为直角三角形,AB=2Rcosθ,弹簧弹力大小为F弹=k(2Rcosθ-L).小球受力情况如图所示,球受三力作用:重力G、弹力F弹、支持力N,球沿切线方向的合力为0,则
F弹sinθ=Gsin2θ
∴k(2Rcosθ-L)sinθ=G·2sinθcosθ
整理可得:cosθ=
所以θ=arccos.