高中物理中的自锁问题.doc

高中物理中的自锁问题 篇一：物理中的自锁 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°－Nsin45°＝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。这种机械装置自锁的应用在日常生活中是比较普遍的。 篇二：自锁现象及其利弊 自锁现象及其利弊 摘要：力学中有一类现象，由于摩擦力的作用，当物体与 接触面的某些物理量满足相应的条件时，无论给物体施以多大的力，都无法使物体在接触面上发生相对滑动，这种现象在机械学上称为“自锁”。自锁是一种特有现象，自锁条件满足时，外力越大，物体保持静止的能力越强。 关键字：自锁现象、自锁条件、摩擦角、利弊 1、引言 自锁是生活中常见的一种力学现象，例如：在修建盘山公路时会考使坡度满足一定的条件，从而保证当汽车熄火时不会从坡上下滑。又如，当两根钢管间满足自锁条件时，便可以用更省力的办法进行取用，再如，坚劈可以因摩擦自锁静止在墙缝或木头缝中??然而自锁现象也会带来许多麻烦：用水平力无法推动放在一定坡度坡上的物体，以一定角度拖地时拖把无法运动等等。因此只有认清其本质原理，才能跟好的利用它 自锁的定义是：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 一、水平面上的自锁现象 要想了解自锁，先得介绍两个物理量：摩擦角与全反力。 如图1，摩擦角的几何意义是：当两接触面