高中物理自锁现象

一个物体受静摩擦力作用而静止，当用外力试图使这个物体运动时，外力越大，物体被挤压的越紧，越不容易运动，即最大静摩擦力的保护能力越强，这种现象叫自锁（定）现象。重力为G的物体，放置在粗糙的水平面上：当用适当大小的水平外力（如F1）推它时，总可以使它动起来。当用竖直向下的力去推（如F2），显然它不会动。使F2的方向旋转一个小角度（如F3），就算用再大的力它也不一定会运动。只有当力的方向与竖直方向的夹角超过某一角度值时（如F4），才可能用适当的力将它推动，而小于这一角度，无论用多大的力都不可能推动它。这一现象称为静力学中的“自锁现象”。Ｆ1Ｆ4Ｆ2Ｆ3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μ（中学不要求最大静摩擦因数跟动摩擦因数的区别），则最大静摩擦力为fM＝μFN。水平面对物体的作用力F′（支持力与静摩擦力的矢量和）与竖直方向的夹角α称为摩擦角无论支持力FN如何变，α保持不变，其大小仅由摩擦因数决定。fＦNＦ′αNFftan设用斜向下的推力F作用于物体，方向与竖直方向成θcossinNNFmgFFFＦfＦNθ)cos(sinmgFFsincosmgFsincos0tantanF趋于无穷大时仍然成立紧靠在竖直墙壁上的物体，在适当大的外力作用下，可以保持静止。当外力大到重力可以忽略，无论用斜向上的力，还是用斜向下的力，发生自锁的条件与水平面的情况是相同的。如改用与竖直墙壁的夹角来表示，临界角α0可表达为α0＝arctan1/μ。F1ααF2αF2斜面上的物体不自由滑落的条件：tantanF斜面上的物体受到外力F的作用，当F与F1之间的夹角小于θ时，仍然处于自锁状态，物体保持静止。如图所示，由两根短杆组成的一个自锁起重吊钩，将它放入被吊的空罐内，使其张开一定的夹角压紧在罐壁上，其内部结构如图（b）所示。当钢绳匀速向上提起时，两杆对罐壁越压越紧，若摩擦力足够大，就能将重物提升起来，罐越重，短杆提供的压力足够大，称为“自锁定机构”。若罐重力为G，短杆与竖直方向夹角为θ=60º，求吊起该重物时，短杆对罐壁的压力（短杆的质量不计）GFF1F2FNFf(c)θθ(a)(b)GFFF21GFFN23sin2静摩擦力至少应为多大？尖劈可以用来卡紧物件。如果尖劈的锐角足够小，它可以嵌入木头缝或墙缝里，这是由于摩擦力的作用使尖劈静止在木头缝中或墙缝里，称为摩擦自锁。像木器家具中常在横接处打入木楔就是应用尖劈摩擦自锁的原理。尖劈摩擦自锁力学分析假设楔子两面对称，受压力均为F。则可只分析一面。楔子顶角为2α。则压力F分解如图（3-2-2）。力F和力N的夹角为楔子顶角一半，即α。则有sinFR（3.2.1）cosFN（3.2.2）摩擦力M的分解如图(3-2-3),力O和力M的夹角为αFMcosMO（3.2.3）当OR时coscossinFMOFR（3.2.4）化简得tan当楔子满足tan时即能自锁。图（3-2-2）力F的分解图（3-2-3）力M的分解α在实际生活工作当中，人们有时需要登高，如电业工人要攀爬电线杆。而登高杆对人来说是很困难的。人们巧妙的运用自锁原理发明了高脚扣，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。ＦNffG