力学中的自锁现象

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1、力学中的“自锁”现象探秘湖北省襄樊市第一中学蓝坤彦选自《物理教师》2008年第12期力学中有一类现象，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”。本文通过如下3例来进行说明。1．通过控制角度达到“自锁”例1：在机械设计中常用到下面的力学原理。如图1所示，只要使连杆AB与滑块m所在平面间的夹角θ大于某个值，那么，无论连杆AB对滑块施加多大的作用力，都不可能使之滑动，且连杆AB对滑块施加的作用力越大，滑块就越稳定，工程力学上称之为“自锁”现象。为使滑块能“自锁”，θ应满足什么条件？（设滑块与所在平面问的动

2、摩擦因数为μ）解析：滑块m的受力分析如图2所示，将力F分别沿水平和竖直两个方向分解，则根据平衡条件，在竖直方向上有FN＝mg＋Fsinθ，在水平方向上有Fcosθ＝Ff≤μFN。由以上两式得Fcosθ≤μmg＋μFsinθ。因为力F可以很大，所以μmg可以忽略，那么上式可以变为Fcosθ≤μFsinθ，则θ应满足的条件为θ≥arccotμ。探秘：通过控制角度使推力在摩擦力方向上的分力总是小于最大静摩擦力，从而达到自锁的目的。在修建公路时，要考虑坡度就是这个道理。当坡度满足一定的条件后，即使汽车由于特殊原因在坡上熄火也能停下来，不至于下滑而无法控制。2．通过控制摩擦因数达到“自

3、锁”例2：一般家庭的门上都安装一种暗锁，这种暗锁由外壳A、骨架B，弹簧C（劲度系数为k）、锁舌D（倾斜角θ＝45°）、锁槽E，以及连杆、锁头等部件组成，如图3（a）所示。设锁舌D与外壳A和锁槽E之间的摩擦因数均为μ，且受到的最大静摩擦力f＝μN（N为正压力）。有一次放学后，当某学生准备锁门外出，他加最大力时，也不能将门关上（此种现象称为自锁），此刻暗锁所处的状态如图3（b）所示，P为锁舌D与锁槽E之间的接触点，弹簧由于被压缩而缩短了x，求在正压力很大的情况下，仍然能够满足自锁条件，则μ至少要多大？解析：受力分析如图4所示，由力的平衡条件可知kx＋f1＋f2cos45°－Nsi

4、n45°＝0（1）F－Ncos45°－f2sin45°＝0（2）f1＝μF（3）f2＝μN（4）由（1）～（4）式得正压力的大小N＝＝当N趋于∞时，须有1－2μ－μ2＝0，解得μ＝0.414。探秘：摩擦因数是物体粗糙程度的反映，在其他条件相同的情况下，μ（最大静摩擦因数）越大物体受的最大静摩擦力就越大，物体越不容易被拉动。如果且达到一定程度，使其他力在摩擦力方向上的合力总是小于最大静摩擦力时，物体就达到了自锁。3．通过控制弹力达到“自锁”例3：如图5所示，由两根短杆组成的一个自锁定起重吊钩，将它放入被吊的罐口内，使其张开一定的夹角压紧在罐壁上，当钢绳匀速向上提起时，两杆对罐壁

5、越压越紧，若罐和短杆的承受力足够大，就能将重物提升起来，罐越重，短杆提供的压力越大，称为“自锁定机构”。若罐质量为m，短杆与竖直方向夹角为θ＝60°，求吊起该重物时，短杆对罐壁的压力（短杆质量不计）。解析：对O点受力分析如图6所示，两根短杆的弹力F（沿杆）的合力与绳子的拉力（FT＝mg）等大反向，故2Fcosθ＝mg（1）对短杆对罐壁的作用力F进行分解如图7所示。短杆对罐壁的压力F1＝Fsinθ（2）由（1）、（2）两式得F1＝mg探秘：这是一个借助巧妙的机械装置达到自锁的模型。它的原理是当自锁机构的两边与罐接触后，产生弹力和摩擦力托起罐，且罐越重，短杆提供的压力越大。这种机

6、械装置自锁的应用在日常生活中是比较普遍的。