1、生活中的自锁现象及其意义摘要：力学中有一类现象，当物体的某一物理量满足一定条件时，无论施以多大的力都不可能让它与另一个物体之间发生相对运动，物理上称这种现象为“自锁” 。生活中存在大量的自锁现象，例如维修汽车时所用的千斤顶就是根据自锁原理设计的，但首先我们必须先研究其发生的条件，然后根据不同需要来运用自锁原理，自锁现象是力学中的一种特有现象，当自锁条件满足时，外力越大，物体保持静止的能力越强，不论该力多大，物块都不会滑动。关键字：自锁现象、自锁条件、摩擦角、应用 1、 引 言生 活 中 很 多 的 技 术 都 运 用 到 了 自 锁 ， 但 自 锁 有 利 也 有 弊 ， 必 须 了 解 发生
2、 自 锁 或 不 自 锁 的 条 件 ， 以 便 利 用 自 锁 ， 所 以 需 要 通 过 研 究 自 锁 的 原 理 来应 用 在 生 活 中 。 自 锁 的 定 义 ： 仅在驱动力或驱动力矩作用下，由于摩擦使机构不能产生运动的现象。2、自锁现象产生条件一、首先让我们了解一下水平面上的自锁现象如图（1a） ，重力为 G 的物体，放置在粗糙的水平面上，用适当大小的水平力 F1推它时，物块总会运动。但当用竖直向下的力 F2去推，物块则不会运动。既使 F2的方向旋转一个小角度变成 F3来推，物块也不一定会运动。只有当力的方向与竖直方向的夹角超过一定角度变成 F4时，用适当的力推动，物块才可能运动
3、，而小于这一角度，无论用多大的力都不可能推动它。当物体与支持面之间粗糙，一旦存在相对运动趋势，就会受静摩擦力作用，设最大静摩擦因数为 ，则最大静摩擦力为 。如图（1b）中，水平面NMf对物体的作用力 （支持力与静摩擦力的矢量和）与竖直方向的夹角 a，满足F。a 称为摩擦角，无论支持力 FN如何变，a 保持不变，其大小Nftan仅由摩擦因数决定。现讨论发生自锁的条件。设用斜向下的推力 F 作用于物体，方向与竖直方向成 时，如果满足 ，无论用多大的力也推不动物体。)cos(sinmgF若重力 mg 的影响无关紧要，有 ，即 ，这是物体发生自锁tanta的条件。如果这一条件不满足，即 ，则物体所受动
4、力大于阻力，物体就会运动。二、在让我们来分析斜面的自锁条件如图 2 所示，分析滑块 A 在力 Q 的作用下不沿斜面下滑的条件。因为是滑块下滑的力为 sin a，而阻止其下滑的最大阻力为极限摩擦力 F=fQcos a，故当Qsin afQcos a，即沿运动方向的驱动力小于或等于极限摩擦力时，则滑块将不发生运动，如增大力 Q，由于不等式两边同时增加，故不管力多大，滑块都不能发生运动，即能够自锁。则我们得出斜面自锁的条件：斜面倾角小于或等于摩擦角，从图中可以看出，也就是力 Q 与斜面法线的夹角小于或等于摩擦角。通过以上分析可知，当作用于物体上全部主动力的合力的作用线在摩擦角之内时，不论该力多大，物
5、块都不会滑动，这种现象称为摩擦自锁。3、自锁现象在生活中的应用图（2）斜面自锁示意图aaNAQF x yf N 图（1b）物块自锁条件分析示意图 图（1a）水平面上物块受力示意图 1 4 2 3自锁现象在力学中应用极其广泛，在生活、生产中也随处可见，比如，有时候停电了，去外面我们有时可以看到维修电力的工人需要爬上电线杆，而登高对人来说是很困难的，所以他们脚上都会穿上特制的设备，这个设备就是根据自锁制造的“登高脚扣” （图 3）,它的发明方便了人们的工作生活。一般脚扣是一对用机械强度较大的金属材制作，用于承受人体重量。脚扣弯成略大于半圆形的弯扣，确保扣住电线杆，保证足够的接触面。内侧面附有摩擦因
6、数较大的材料，扣的一端安装脚踏板。使用时，弯扣卡住电杆，当一侧着力向下踩时，形成两侧向里的挤压，接触面产生向上的摩擦力，且向下踩的力越大，压力也越大，满足自锁条件，因而不会沿杆滑下。只需两脚交替上抬就可爬上电线杆。（图 3 登高脚扣）还有一种应用自锁原理的设备我们也很熟悉，这个东西在汽车修理店我们会经常看到，那就是架起汽车时用到的“千斤顶” （图 4） ，千斤顶又称机械式千斤顶，是由人力通过螺旋副传动，螺杆或螺母套筒作为顶举件。普通螺旋千斤顶靠螺纹自锁作用支持重物，构造简单，推动手柄，使丝杆的螺纹沿着底座螺纹槽慢慢旋进而顶起重物。并在顶起重物后，重物和丝杆能保持状态，停在任何位置不自动下降。即
7、达到自锁状态。只要螺纹升角满足丝杆材料与底座材料之间的自锁条件，在材料强度的允许范围内，无论多种的物体它都能举起。图 5 是管钳，有时候家中的水管堵塞了，我们会叫来水工，他们就会拿出随身带的工具，最常见的就是这种管钳，这个是水工作业的常用工具，其原理也是自锁原理，钳口部分里外的宽度稍有不同，外部稍宽，固定柄架与活动杆横向保留一定间隙。当钳口卡住管子时，用力扳手柄会使钳口和管之间的挤压更紧，使钳口与管形成自锁。从而拧动水管，达到其应有的作用。（图 5 管钳）4、结论图4（螺旋千斤顶）自锁现象是力学中的特殊现象，在我们的生活中被广泛应用，从而我得出以下结论：自锁现象有利也有弊，有时需要自锁，有时却需要避免自锁，所以我们研究后知道，只有破坏自锁条件才能避免自锁，通过这次对自锁现象的分析，明白只有我们熟悉自锁的原理，才能在今后的生活应用中正确的运用。参考文献：【1】 工程力学教程 西南交通大学应用力学与工程系 高等教育出版社 2011年 5 月【2】 理论力学与机械原理 上海机器制造学校 人民教育出版社 1998 年 7月【3】 力学中的自锁现象及应用 江苏省丰县中学 李高斌、马辉 网络 2009 年 4 月【4】 自锁百度百科 baidu 网络 2011 年 4 月
