自锁的原理及应用拓展

自锁的原理及应用拓展

摘要：自锁现象是生活中普遍存在的现象，在生活和工业生产当中应用广泛。了解自锁现象产生的机理和生活中常见自锁现象的实质，对与我们学习进步有很大的帮助。利用自锁原理可以设计一些机巧的机械，而且可以利用自锁原理设计的机械能够解决很多实际问题。通过对力学自锁现象的研究和应用分析，我们可以深入的了解力学中的自锁现象，为自锁现象更为广泛的应用于实际打下理论基础。

Abstract：Since the self-locking is a common phenomenon in life， and has great applications in the industrial and lives. Studying the progress and principle of the self-locking is of great help. And we can use the principle to design some machines, which can solve a lot of practical problems through the phenomenon of the lock of mechanics research and application analysis, we can deeply understand the mechanics of the phenomenon of the self-locking, Thus the self-locking can be more widely used in the phenomenon of actual provided theoretical basis.

关键词：自锁，原理，应用。

引言：

自锁现象在生活中普遍存在，通过对自锁的原理及应用的深度拓展可以让我们更加了解自锁的意义，同时加深我们对自锁的认识，利用自锁机理设计制造出能够解决实际问题的机械以促进社会更好地发展，人们生活水平的提高。

1．什么是自锁

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。

如图1.

有一三角斜

坡，底脚为θ，斜

坡上面有一静止的方木

块，重力为G。重力G沿斜面方向的分力为F2,垂直于斜面方向的分力为F1。斜坡和方木块的摩擦系数μ满足

θ

θ

μsin

cos>可推得

2

1

F

sin

G

cos

G

F=

>

=

=θ

θ

μ

μ

最大静摩擦力

F

可以看出不论木块质量如何，木块都将保持静止。甚至加一和重力相同方向的力在木块上，不论力的大小，木块仍保持静止。2.产生自锁的原因

“摩擦角”的概念

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，则最大静

摩擦力为f M＝μF N。如图2中，

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，满足μ

α=

=

N

F

f

tan。α称为

摩擦角，无论支持力F N如何变，α保持不变，其大小仅由摩擦因数决定。

现讨论发生自锁条件。设用斜向下的推力F作用于物体，方向与竖直方向成θ时，如果满足)

cos

(

sin mg

F

F+

≤θ

μ

θ，无论

用多大的力也推不动物体。此时重力mg的影响已无关紧要，有α

μ

θtan

tan=

≤，即

图1

Ｆ

Ｆx

y

f

Ｆ′

α

θ

图2

αθ≤，这是物体发生自锁的条件。如果这

一条件不满足，即θ＞α，则物体所受动力大于阻力，物体就会运动。

4.自锁现象

4.1 水平面上的自锁现象 如图2 4.2 竖直面和斜面内的自锁现象

如图3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

＝arctan μ

1

。

5.达到自锁的途径

5.1通过控制角度达到“自锁”

分析知道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，即总反力的方向始终在摩擦角内就能达到自锁的目的。

5.2通过控制摩擦因数达到“自锁”

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μ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。

5.3通过控制弹力达到“自锁”

如图4所示，由两根短杆组成的

一个自锁定起重吊钩，将它放入被吊桶的罐口内，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”。

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，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。

6．自锁的应用拓展

6.1登高脚扣

脚扣是一对用机械强度较大的金属材制作，弯成略大于半圆形的弯扣，内侧面附有摩擦因数较大的材料，扣的一端是脚踏板。使用时，如图5，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。

6.2劈

具有构成尖锐角度的两个平面形状的

坚硬物体，称楔或尖劈。属于斜面类简单机械。两成尖锐角度的平面称为劈面，劈

图6劈

图5

Ｆ

f

f

G

图4a

F 1 α α

F 2

图3 图4b 起重吊钩示意图