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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. 图1有一三角斜坡，底脚为，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满足 可推得 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xyfN图2“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，则最大静摩擦力为fMFN。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，满足。称为摩擦角，无论支持力FN如何变，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，方向与竖直方向成时，如果满足，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，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。4.自锁现象4.1 水平面上的自锁现象 如图2F1F2图34.2 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0可表达为0arctan。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，(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。图4a5.3通过控制弹力达到“自锁”图4b起重吊钩示意图 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 图5NffG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。图6劈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，劈的尖端称为劈刃，宽端称为劈背。图7沙堆角度示意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。当楔子满足时即能自锁。6.3自锁螺丝、螺栓、螺旋千斤顶图8生活中大量使用螺丝，我们用它们来紧固物体，用到了其实就是摩擦自锁。 螺丝上的螺纹可展开成斜面，则其与上述的劈便无本质的区别了。螺旋千斤顶工作时螺旋可以看成是一个绕在圆柱体上的斜面。将其展开，这个斜面的倾角就是螺纹升角。丝杆相当位于斜面上的物体。千斤顶支撑的重物是加载于丝杆上的轴向载重。这个载重相当于放在斜面上重为G的物体。为使丝杆螺纹在重物的重压下不会自动下旋，相当于物体不会沿斜面自动下滑，即物体在斜面上自锁。要保证螺纹升角小于等于丝杆与底座螺纹槽之间的摩擦角。即可自锁。6.4管钳图9是管钳，水工作业的常用工具，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（垂直钳口调整方向）保留一定间隙。当钳口卡住管子时，用力扳手柄（单方向）会使钳口和管之间的挤压更紧，使钳口与管形成自锁6.5 医用自锁托槽自锁托槽是近年出现的一种新技术。它的一个看似很小的改变，却给固定正畸技术带来了革命性的改变。它的主要优点是可以大大降低钢丝与托槽之间的摩擦阻力。因为正畸治疗移动牙齿需要克服钢丝与托槽之间的摩擦阻力，摩擦力越大，那么需要的矫治力也越大，移动速度也就越慢，矫治需要的时间也就越长。6.6铁路路基常常可以看到工地上卡车卸下的沙石总是呈一个锥形，而且锥面与地面的夹角总是成一个常值。当沙堆高度超过某个极限（或者锥角过大）时，沙石就会下滚，直到再次平衡。这个极限角度与沙堆的摩擦角有着密切的联系。在理论情况下，只有当时，沙堆才会处于平衡的静止状态。铁路建设中路基斜坡与地面的夹角的设计也与摩擦角有着密切关系。为了火车行车的安全，铁轨及其路基必须坚实，决不能让路基塌陷。而摩擦自锁在这里便得到了很好的应用，理想情况下，当，路基中的沙石摩擦自锁，则即使路基上作用再大的合力，整个路基也能保持平衡而不变形塌陷。6.7 斜坡上车辆的停放 车辆停放在斜坡上，实际上是车轮在斜坡上的磨擦自锁现象。由于车轮与斜坡间的滚动磨擦系数和车轮半径R 的比值较小，磨擦角也小，车辆一般只能停放在较小倾角的斜面上。在斜面倾角较大（即)时，车将沿斜面下滑。为了防止下滑，人们常在车轮后下方垫以石块，由于石块的垫入，增大了滚动磨擦系数，也就增大了最大滚动磨擦角；当斜坡倾角小于或等于增大后的磨擦角 就满足了，车辆将不再下滑。否则，车辆将继续向下滑动。参考文献1 Mechanics (3rd Edition) Addison Wesley; 3 edition (January 1, 1971)2 E. Nelson,Charles Best ,William McLean,Merle Potter.Schaums Outline of Engineering Mechanics: Statics .Publisher: McGraw-Hill; 6 edition (July 16 2007) 3 Nuts, Self-Locking, Steel, Corrosion and Heat Resistant High Strength, All Metal 1200 degrees F Use, UN Thread Form. (SAE Standard)(Society of Automotive Engineers, Inc., Warrendale, PA.), 20p, Oct 19964Deqian Yu,Tingting Huang,Meiyu Huang,Guangzhi Du, Youxiang Li,Jingyuan Huang (Precision Instruments Department of Tsinghua U