高中物理自锁现象

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：当两接触面间的静摩擦力达到最大值时，静摩擦力f m 与支持面的支持力N 的合力R 与接触面法线间的夹角即为摩擦角。

则设最大静摩擦因数为μ，最大静摩擦力为f m ； 即有：tan φ= f m /N =μ如图2，设B 对A 的支持力为N ，B 对A 的摩擦力为f ， 则N 与f 的合力R 叫做B 对A 的全反力。

显然，当R 与法线的夹角α≤φ时，tan α≤tan φ,所以f ≤f m ，A,B 间不会发生相对滑动。

进而由图3可得:φ方向对A 物体施以力F ，则该力沿水平方向的分量为：F x = Fsin α= F y tan α上式中F y 为F 竖直方向上的分量，以表示B 对A 的支持力，因为N ≥F y ，则：F x = F y tan α＜ Ntan φ= f m图一 图二F F y 图三说明无论F多大，其水平方向上的分量F x始终小于最大静摩擦力f m，即无论F多大，均不能使A，B间发生相对滑动，故为自锁。

自锁现象及其应用赵轩中国地质大学（武汉）工程学院摘要：在力学中有这样一类现象，当物体的某一物理量满足一定的条件时,无论施加多大的力，都不可能让它与另一物体之间发生相对运动，我们将这一现象称为“自锁”。

而在工程实际中，经常会见到“卡住”现象的发生，例如维修汽车时所用的千斤顶,但有时需要防止“卡住”现象的发生，如在使用变速器时，若发生“自锁”，则变速器就不能正常工作。

我们必须先将“自锁”的原理搞清楚，才能将其更好地运用到生活中去。

关键字：自锁现象;自锁条件;摩擦角；应用1。

自锁现象1.1自锁现象的定义物体受静摩擦力作用而静止,当用外力试图使这个物体发生运动时，外力越大，物体被挤压的越紧，越不容易发生运动,即最大静摩擦力的保护能力越强，这种现象叫自锁现象。

1.2几种简单自锁现象（1）水平面内的自锁现象如图1，重力为G的物体，放置在粗糙的水平面上，用适当大小的水平外力推它时，总可以使它动起来.但当用竖直向下的外力去推它，物体则不会发生运动.即使的方向旋转一个小角度变成来推，物体也不一定会运动。

只有当力的方向与竖直方向的夹角超过一定角度变成时，用适当的力推动，物体才可能运动，而小于这一角度时，无论用多大的力都不可能推动它。

图1（2)竖直面内的自锁现象如图2，重力为G的物快紧靠在竖直粗糙的墙壁上,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不计时，无论用斜向上的力，还是用斜向下的力作用于物快上时，物体都将会保持静止.与水平面不同的是，竖直面保证物体静止的最小力的条件有所不同。

当用斜向上的力维持物体平衡时,不一定满足自锁条件，而若用斜向下的力使物体平衡,一定满足自锁条件，否则不可能处于平衡。

图2（3）斜面内的自锁现象对于粗糙斜面上的物体，沿适当的角度施加适当大小的力也会出现自锁现象。

这种情况介于水平面和竖直面两种类型之间，这里不做赘述.1。

3自锁发生的条件（1）摩擦角以水平面内处于平衡的物体进行分析，当有摩擦时,支撑面对平衡物体的约束反力包含两个分量：法向分量和切向分量（即静摩擦力）.这两个分量的合力称为支撑面的全约束反力，简称全反力，它的作用线与接触面的公法线成一偏角α,。

自锁运行的观察自锁运行是指一个系统在其中一种条件下自身发生运行的现象。

在物理学中，自锁是指一个物体在受到外力作用后，由于自身结构或自身特征而使其停滞不动的现象。

自锁现象在生活中十分常见。

例如，当我们将门锁上后，再给门稍微用力推，门会立即停下来，不会继续打开。

这是因为门锁具有一个机械装置，当门关闭后，该装置会自动扣住门把手轴，使得门无法被轻易打开。

另一个例子是自行车的刹车系统。

当我们踏上刹车踏板时，刹车系统会自动将刹车钳夹紧刹车盘，制动车轮的转动，使车辆停下来。

在工程领域，自锁现象也得到了广泛应用。

例如，在机械传动系统中，常常使用螺纹结构来实现自锁功能。

螺纹装置在受到外力作用后，由于摩擦力的存在，使得螺纹结构自动锁定，防止系统发生松动或错位。

这在汽车发动机的气门机构中尤为重要，因为气门机构必须保持正常的工作状态，以确保引擎的正常运转。

除了物体本身的结构特征外，自锁还可以通过控制系统来实现。

例如，在电子设备的开关电源中，通常会采用反馈控制系统，以保护电路免受过压、过流等故障的影响。

当电流或电压超过设定值时，反馈控制系统会自动切断电源，从而保护电路免受损坏。

自锁现象的观察十分重要，因为它对于系统的稳定运行和安全性具有重要意义。

通过观察自锁现象，我们可以了解系统的工作原理和性能，及时发现问题并采取相应的措施，以确保系统的正常运行。

同时，观察自锁现象也有助于我们改进设计和制造工艺。

通过研究自锁现象发生的原因和机制，我们可以提高系统的可靠性和稳定性，减少故障的发生，提高系统的效率和性能。

总之，自锁运行的观察是一项重要的研究工作，它对于理解和改进系统的运行机制具有重要的意义。

通过对自锁现象的观察和研究，我们可以提高系统的可靠性和安全性，为人类的科技进步和生活带来更多的便利。

高中物理-摩擦力考点考点分类：考点分类见下表考点内容考点分析与常见题型对称法解决非共面力问题选择题摩擦与自锁现象选择题绳(杆)上的“死结”和“活结”模型选择题较多摩擦力方向与运动方向的关系选择题较多考点一对称法解决非共面力问题在力的合成与分解的实际问题中，经常遇到物体受多个非共面力作用处于平衡状态的情况，而在这类平衡问题中，又常有图形结构对称的特点，结构的对称性往往对应着物体受力的对称性．学%科网解决这类问题的方法是根据物体受力的对称性，结合力的合成与分解知识及平衡条件列出方程，求解结果．考点二摩擦与自锁现象1．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．2．摩擦自锁现象是指当主动力合力的作用线位于摩擦角以内时，无论主动力合力多大，约束力都可与之平衡．摩擦自锁在生活中也大量的存在，并起着相当大的作用．3．最大静摩擦力Ffm与接触面的正压力FN之间的数量关系为Ffm＝μFN.其中，静摩擦系数μ取决于相互接触的两物体表面的材料性质及表面状况．考点三绳(杆)上的“死结”和“活结”模型1．绳模型(1)“死结”可理解为把绳子分成两段，且不可以沿绳子移动的结点．“死结”两侧的绳因结而变成了两根独立的绳，因此由“死结”分开的两段绳子上的弹力不一定相等．(2)“活结”可理解为把绳子分成两段，且可以沿绳子移动的结点．“活结”一般是由绳跨过滑轮或者绳上挂一光滑挂钩而形成的．绳子虽然因“活结”而弯曲，但实际上是同一根绳，所以由“活结”分开的两段绳子上弹力的大小一定相等，两段绳子合力的方向一定沿这两段绳子夹角的平分线．2．杆模型杆可分为固定杆和活动杆．固定杆的弹力方向不一定沿杆，弹力方向视具体情况而定，活动杆只能起到“拉”和“推”的作用．一般情况下，插入墙中的杆属于固定杆(如甲、乙两图中的杆)，弹力方向不一定沿杆，而用铰链相连的杆属于活动杆(如丙图中的杆)，弹力方向一定沿杆．考点四摩擦力方向与运动方向的关系摩擦力的方向与物体间的相对运动或相对运动趋势方向相反,但与物体的实际运动方向(以地面为参考系)可能相同,可能相反,也可能不在同一直线上.典例精析★考点一：对称法解决非共面力问题◆典例一：（2018福建质检）课堂上，老师准备了“∟”型光滑木板和三个完全相同、外表面光滑的匀质圆柱形积木，要将三个积木按图示（截面图）方式堆放在木板上，则木板与水平面夹角θ的最大值为A．30°B．45°C．60°D．90°【参考答案】A【考查内容】本题是以三个圆柱形积木在“∟”型光滑木板上处于平衡状态为情境，主要考查共点力的平衡等知识。

浅析静力学中“自锁”现象的几个问题在日常生活中，大多数情况下，只要在物体上加上足够大的推力，就能够让物体运动起来，而实际上由于摩擦的存在，却会出现无论这个推力如何增大即使增大到无穷大，也无法使它运动的现象，物理上称为“自锁”现象。

如一物体A静止在粗糙的水平地面上，现用与水平成α角的推力F推A，当α超过某一值时，F无论多大，都不能推动物体A。

本文就高中物理力学中碰到的几个典型“自锁”现象的问题来逐一进行分析。

．例一：一个质量为M的立方体，放在一粗糙的固定斜面上，斜面的倾角为θ，今在该物体上施以水平推力F，如图所示．问在什么条件下，不管F多大,物体都不可能沿着斜面向上滑?斜面的静摩擦因数为μ．外力F对于斜面向上滑动，则在F擦力的方向沿着斜面向下，受力图如图所示．建立的直角坐标系，将各个力进行分解，物体不上滑应满足的条件是：Fcosθ－Mgsinθ－f = 0……①又有：N－Fsinθ－Mgcosθ= 0……②F ≤μN……③由上面三个式子，我们得到：F≤（sinθ＋μcosθ）Mg／（cosθ－μsin任何的F值都能够满足．即令F→∞，因为上式中右边的分子不可能趋于无穷大，则应该要求其分母（cosθ－μsinθ）趋于零，即有ctgθ→μ．因此，在当μ≥ctgθ时，不管F的值有多大，物体也不可能沿斜面向上滑．μ≥ctgθ即为这种情况下的自锁条件．我们可以看出这个条件是由斜面的倾角θ和静摩擦因数μ共同决定的，从以上的探讨，我们可以看出，自锁现象与静摩擦因数是密切相关的，如果物体间没有静摩擦，就不可能实现自锁．G的粗细均匀杆AB，A端顶在竖直的粗糙的墙壁例二：如图所示，有一长为l，重为上，杆端和墙壁间的摩擦因数为μ，B 端用一强度足够大且不可伸长的绳悬挂，绳的另一端固定在墙壁C 点，木杆处于水平状态，绳和杆的夹角为θ。

○1求杆能保持水平时，μ和θ应满足的条件； ○2若杆保持平衡状态时，在杆上某一范围内，悬挂任意重的重物，都不能破坏杆的平衡状态，而在这个范围以外，则当重物的重G 足够大时，总可以使平衡破坏，求出这个范围来。

自锁现象及其应用赵轩中国地质大学（武汉）工程学院摘要：在力学中有这样一类现象，当物体的某一物理量满足一定的条件时，无论施加多大的力，都不可能让它与另一物体之间发生相对运动，我们将这一现象称为“自锁”。

而在工程实际中，经常会见到“卡住”现象的发生，例如维修汽车时所用的千斤顶，但有时需要防止“卡住”现象的发生，如在使用变速器时，若发生“自锁”，则变速器就不能正常工作。

我们必须先将“自锁”的原理搞清楚，才能将其更好地运用到生活中去。

关键字：自锁现象;自锁条件;摩擦角;应用1.自锁现象1.1自锁现象的定义物体受静摩擦力作用而静止，当用外力试图使这个物体发生运动时，外力越大，物体被挤压的越紧，越不容易发生运动，即最大静摩擦力的保护能力越强，这种现象叫自锁现象。

1.2几种简单自锁现象（1）水平面内的自锁现象如图1，重力为G的物体，放置在粗糙的水平面上，用适当大小的水平外力F1推它时，总可以使它动起来。

但当用竖直向下的外力F2去推它，物体则不会发生运动。

即使F2的方向旋转一个小角度变成F3来推，物体也不一定会运动。

只有当力的方向与竖直方向的夹角超过一定角度变成F4时，用适当的力推动，物体才可能运动，而小于这一角度时，无论用多大的力都不可能推动它。

图1（2）竖直面内的自锁现象如图2，重力为G的物快紧靠在竖直粗糙的墙壁上，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不计时，无论用斜向上的力F5，还是用斜向下的力F6作用于物快上时，物体都将会保持静止。

与水平面不同的是，竖直面保证物体静止的最小力的条件有所不同。

当用斜向上的力维持物体平衡时，不一定满足自锁条件，而若用斜向下的力使物体平衡，一定满足自锁条件，否则不可能处于平衡。

图2（3）斜面内的自锁现象对于粗糙斜面上的物体，沿适当的角度施加适当大小的力也会出现自锁现象。

这种情况介于水平面和竖直面两种类型之间，这里不做赘述。

1.3自锁发生的条件（1）摩擦角以水平面内处于平衡的物体进行分析，当有摩擦时，支撑面对平衡物体的约束反力包含两个分量：法向分量F N和切向分量F S（即静摩擦力）。

自锁现象的原理、应用与避免1. 什么是自锁现象？自锁现象是指在某些系统中，当外力作用消失后，系统会自动锁定在某种状态下，并且需要一定的外力才能解锁。

可以理解为系统内部的一种稳态。

自锁现象广泛存在于机械、电子、化学等各个领域，在一些设备和技术中起到重要的作用。

2. 自锁现象的原理自锁现象的原理可以从不同的角度进行解释。

以下是几种常见的原理：2.1 磁性材料的自锁现象某些磁性材料，在受到外部磁场的作用后，会呈现出自锁现象。

这是因为磁性材料内部的磁的矢量排列发生变化，使其在外力消失后仍能保持一定程度的磁化状态。

需要外力才能改变材料的磁化状态。

2.2 机械系统的自锁现象在某些机械系统中，存在自锁现象。

例如，在斜面上放置一个物体，当斜面的角度超过一定值时，物体会自动滑下，并保持在滑下的位置，需要一定的力才能再次将其移动。

这是因为在一定角度下，重力作用会将物体推向滑下位置，形成自锁现象。

2.3 电子系统的自锁现象在电子系统中，自锁现象也是很常见的。

例如，在数字电路中，某些状态的触发器可以保持其输出状态，即使输入信号消失。

这是通过正反馈回路实现的，形成了自锁现象。

3. 自锁现象的应用自锁现象可以在很多领域中应用，并发挥重要作用。

以下是一些常见的应用场景：3.1 自锁螺母自锁螺母是一种在拧紧之后能够自动锁紧的螺母。

它利用了材料的弹性和摩擦力，当外力作用消失后，螺母会自动锁紧，避免了因振动或其他原因导致螺母松动。

3.2 自锁开关自锁开关是一种在按下之后能够自动保持开关状态的开关。

它通常用于电器设备的开关控制，避免了长时间按住开关的不便。

3.3 自锁锁具自锁锁具是一种在关闭之后能够自动锁定的锁具。

它可以避免因疏忽导致锁具未锁紧而造成的安全隐患。

4. 避免自锁现象的方法虽然自锁现象在某些场景下有用，但在其他场景下可能会带来不便或安全隐患。

以下是避免自锁现象的几种方法：4.1 添加限制条件通过增加限制条件来避免自锁现象的发生。

力学中的“自锁”现象探秘力学中有一类现象，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。

浅析静力学中“自锁”现象的几个问题在日常生活中，大多数情况下，只要在物体上加上足够大的推力， 就能够让物体运动起来，而实际上由于摩擦的存在， 却会出现无论这个推力如何增大即使增大到无穷大，也无法 使它运动的现象，物理上称为“自锁”现象。

如一物体 A 静止在粗糙的水平地面上，现用 与水平成 角的推力F 推A ，当 超过某一值时，F 无论多大，都不能推动物体 A 。

本文 就高中物理力学中碰到的几个典型“自锁”现象的问题来逐一进行分析。

例一：一个质量为 M 的立方体，放在一粗糙的固定斜面上，斜面的倾角为今在该物体上施以水平推力F ,如图所示•问在什么条件下，不管 向上滑？ 解析：要求物体始终不沿着斜面上滑的条件，实际上就是要在这种情况下能够自锁的条件•设物体与 斜面的静摩擦因数为□•外力 F 的作用是力图使物体相对于斜面向上滑动，则在 F 较大时，物体所受的静摩 擦力的方向沿着斜面向下，受力图如图所示.建立的直角坐标系，将各个力进行分解， 物体不上滑应满足的条件是：Fcos B — Mgs in 0— f = 0..... ① 又有：N — Fsin 0— Mgcos 0 = 0 ..... ②F J N……③ 由上面三个式子，我们得到：F <( sin 0 + 口 cos 0) Mg /( cos 0 — 口 sin 0) •要使物体始终不向上滑动，应该要求上式中对于 任何的F 值都能够满足.即令 F TB ，因为上式中右边的分子不可能趋于无穷大，则应该要求其分母(cos 0 — ^ sin 0)趋于零，即有 ctg 07卩.因此，在当卩》ctg 0时，不管F 的值有多大，物体也不可能沿斜面向上滑.ctg 0即为这种情况下的自锁条件•我们可以看出这个条件是由斜面的倾角0和静摩擦 因数卩共同决定的，从以上的探讨，我们可以看出，自锁现象与静摩擦因数是密切相关的，如果物体间没 有静摩擦，就不可能实现自锁.例二：如图所示，有一长为 I ，重为G 0的粗细均匀杆 AB , A 端顶在竖直的粗糙的墙壁F 多大，物体都不可能沿着斜面F(9)上，杆端和墙壁间的摩擦因数为卩， B 端用一强度足够大且不可伸长的绳悬挂，绳的另一端 固定在墙壁C 点，木杆处于水平状态， 绳和杆的夹角为B 。