这个问题是一个物理力学问题,涉及到动量守恒和能量守恒的原理。我们可以通过以下步骤来分析:
1. 初始状态:轻杆的下端固定在地面上,上端固定一个小球,轻杆和长方体都处于静止状态,此时轻杆垂直于地面。
2. 微小扰动:由于微小扰动,轻杆开始向右侧倒下。在这个过程中,小球和长方体一起沿杆滑动。
3. 分离过程:当轻杆倒下到与水平面成30°角时,小球与长方体分离。在这个瞬间,小球和长方体的相对速度为零,它们之间没有作用力。
4. 受力分析:在分离的瞬间,由于轻杆和小球组成的系统没有外力作用(假设地面摩擦力为零,长方体和小球之间也没有摩擦力),根据动量守恒定律,系统的总动量在分离前后保持不变。由于长方体的质量和速度在分离前后不变,小球的动量变化必须由重力提供。
5. 重力作用:在分离瞬间,小球只受到重力作用,因为这是唯一作用在它上面的外力。如果考虑地面和长方体之间的摩擦力,那么在分离瞬间,小球相对于地面的动量变化将由重力和地面施加的摩擦力共同提供,但在这个问题中,我们假设摩擦力为零。
6. 分离后的运动:分离后,小球将继续沿杆滑动,受到重力和杆的支持力作用,直到它离开杆端并进行抛体运动。
7. 能量守恒:在整个过程中,如果没有非保守力(如摩擦力)做功,系统的机械能(动能加势能)将保持守恒。
总结来说,小球在分离时只受重力作用,是因为在那个特定瞬间,小球和长方体之间没有相对速度,它们之间没有作用力,而系统的总动量守恒,小球的动量变化只能由重力提供。这是一个理想化的物理模型,实际情况可能会受到摩擦力等其他因素的影响。