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安卓手机字体推它时,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王一梅时,用适当的力推动,物块才可能运动,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μ,则最大静摩擦力为。如图(1b)中,水平面对物体的作用力(支持力与静摩擦力的矢量和)与竖直方向的夹角a,满足。a称为摩擦角,无论支持力FN如何变,a保持不变,其大小仅由摩擦因数决定。
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θ时,如果满足,无论用多大的力也推不动物体。若重力mg的影响无关紧要,有,即,这是物体发生自锁的条件。如果这一条件不满足,即,则物体所受动力大于阻力,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 a≤fQcos 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
图(2)斜面自锁示意图
多大,物块都不会滑动,这种现象称为摩擦自锁。
3、自锁现象在生活中的应用
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4(螺旋千斤顶)
中国化妆品品牌大全图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
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:喜剧片 爆笑电影
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
angelababy抽烟被拍【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
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