自鎖現(xiàn)象是熱學中的特殊現(xiàn)象，在生活和工業(yè)生產(chǎn)當中應(yīng)用廣泛，論文對熱學自鎖現(xiàn)象的定義、產(chǎn)生緣由及生活工程中的實際應(yīng)用進行了總結(jié)和研究，了解了自鎖現(xiàn)象形成的機理和生活中常見自鎖現(xiàn)象的實質(zhì)，明晰了自鎖現(xiàn)象是高技術(shù)機械的基礎(chǔ)借助自鎖原理可以設(shè)計一些機巧的機械、自鎖現(xiàn)象有利有弊，破壞了自鎖條件即可解除不須要的自鎖及借助自鎖原理設(shè)計的機械才能解決好多實際問題。通過對熱學自鎖現(xiàn)象的研究和應(yīng)用剖析，深入的了解熱學中的自鎖現(xiàn)象，為自鎖現(xiàn)象更為廣泛的應(yīng)用于實際打下理論基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞:自鎖現(xiàn)象；自鎖條件；自鎖應(yīng)用序言熱學是數(shù)學學的一個分支。它記述和研究人類從自然現(xiàn)象和生產(chǎn)活動中認識及應(yīng)用物體機械規(guī)律的歷史。我國唐代春秋時期墨翟及其弟子的專著《墨經(jīng)》(公元前4~公元前3世紀)中，就有涉及力的概念，對杠桿平衡、重心、浮力、強度、剛度都有表述。清朝《尚書緯考靈曜》、《論衡》等古籍中也零星有熱學知識記載。清代李誡在《營造西式》中指出梁截面高與寬之比以3:2為好。沈括則在《夢溪筆談》記載了頻度為1:2的琴弦共振，既固體彈性波的空腔效應(yīng)等熱學知識。可看出作者謂功底艱深。另一方面：秦代李冰兄妹在重慶沱江，領(lǐng)導人民建造的造福今人的世界級水利工程，成都。
約建于591~599年的趙州橋，跨徑37.4米，采用拱券高只有7米的淺拱；1056年建成的廣東寧縣木塔，采用筒式結(jié)構(gòu)和各類磚雕，900多年來經(jīng)受過多次水災(zāi)的考驗。東漢張衡創(chuàng)造了復雜精密的日晷和渾天儀；三國時的馬鈞創(chuàng)造了手冊車和離心壩體機。從中可看出中國先人對熱學的認識是深刻，對熱學的運用是飽含令人欽佩的智慧的。在近代和現(xiàn)代，熱學隨著研究內(nèi)容的深入和研究領(lǐng)域的擴大漸漸產(chǎn)生各個分支，近些年來又出現(xiàn)了跨分支、跨學科綜合研究的趨勢。周培源有言：熱學不獨在數(shù)學學中占極重要的地位，但是對于天文學及各類工程學皆有極大的貢獻。天文學中的天體熱學，即解釋各行星圍繞太陽運動的學問，是一種依據(jù)于熱學各定理的估算，它的理論結(jié)果和天文檢測甚為吻合。至于各類工程學都和熱學有關(guān)系，只是有深有淺而已。即使熱學發(fā)展迅速，但熱學基礎(chǔ)未變。利使勁學基礎(chǔ)知識進行創(chuàng)新、發(fā)明是現(xiàn)今的一大特征。熱學中有一類現(xiàn)象稱為“自鎖現(xiàn)象”，借助自鎖現(xiàn)象的熱學原理開發(fā)出了各類各樣的機械工具，廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，在日常生活中借助這一原理的現(xiàn)象也隨處可見。自鎖現(xiàn)象的研究2.1磨擦力基礎(chǔ)知識磨擦是在物體互相接觸且有斥力時形成的，磨擦力大小與主動力有關(guān)。
在通常條件下，磨擦滿足古典磨擦定理：1.當法向荷載較大時,磨擦力與法向壓力呈非線性關(guān)系,法向荷載愈大,磨擦力降低得愈快；2.有一定屈服點的材料(如金屬),其磨擦阻力才與接觸面積無關(guān).粘彈性材料的磨擦力與接觸面積有關(guān)；3.精確檢測,磨擦力與速率有關(guān),金屬與金屬的磨擦力隨速率的變化不大；4.粘彈性材料的靜磨擦質(zhì)數(shù)不小于動磨擦質(zhì)數(shù)。其中靜磨擦力與垂直力的比列系數(shù)為，靜磨擦力。2.2自鎖現(xiàn)象的定義一個物體受靜磨擦力作用而靜止，當用外力企圖使這個物體運動時，外力越大，物體被擠壓的越緊，越不容易運動，即最大靜磨擦力的保護能力越強，這些現(xiàn)象叫自鎖（定）現(xiàn)象。最簡單的自鎖情況就是斜面自鎖。先看一個簡單的事例，如圖(2-2-1).有一三角斜坡，底腳為θ，斜坡里面有一靜止的方鐵塊，重力為G。重力G沿斜面方向的分力為F2,垂直于斜面方向的分力為F1。斜坡和方鐵塊的磨擦系數(shù)μ滿足（2.1）可推得（2.2）可以看出不論鐵塊質(zhì)量怎樣，鐵塊都將保持靜止。甚至加一和重力相同方向的力在鐵塊上，不論力的大小，鐵塊仍保持靜止。2.3自鎖現(xiàn)象形成緣由從（2.2.1）式可發(fā)覺自鎖現(xiàn)象的形成與磨擦系數(shù)和角度θ有關(guān)，因而可以引進磨擦角的概念。
假定上例中斜坡底腳θ可變。我們把法向反斥力N與磨擦力F的合力R稱為支持面對物體的全反力(?http:?/??/??/?view?/?.htm""?)。全反力和法線的傾角為α。當磨擦力F達到最大值Fmax，這時的傾角α達到最大值β，把β稱為磨擦角。(2.3)此式表明：磨擦角β的余弦等于靜磨擦質(zhì)數(shù)μ。（2.4）由幾何關(guān)系可推得β等于底腳θ。因為靜磨擦力不可能超過最大值，因而全約束力的作用線也不可能超出磨擦角以外，即全約束反力必在磨擦角之內(nèi)。從而可知假若作用于物體的主動力的合力Q的作用線在磨擦角之內(nèi)，則無論這個力如何大，總有一個全反力R與之平衡，物體保持靜止；反之，假如主動力的合力Q的作用線在磨擦角之外，則無論這個力多么小，物體也不可能保持平衡。出現(xiàn)自鎖現(xiàn)象的實質(zhì)緣由是，自鎖條件滿足時，保持物體靜止的力會隨外力的減小而環(huán)比例減小。磨擦質(zhì)數(shù)一定時。自鎖的發(fā)生只和磨擦角有關(guān)和力大小無關(guān)。2.4幾種簡單的自鎖現(xiàn)象2.4.1水平面上的自鎖現(xiàn)象如圖（2.4.1a），重力為G的物體，放置在粗糙的水平面上，當用適當大小的水平外力（如F1）推它時，總可以使它動上去。
但當用豎直向上的力去推（如F2），其實它不會動。即使F2的方向旋轉(zhuǎn)一個小角度（如F3），即使用再大的力它也不一定會運動。只有當力的方向與豎直方向的傾角超過某一角度值時（如F4），才可能用適當?shù)牧⑺七M，而大于這一角度，無論用多大的力都不可能促使它。這是由于所施力的水平分力在減小的同時，正向下的壓力也環(huán)比例的減小。后者導致物體有運動趨勢，前者提供最大靜磨擦的條件保障。當物體與支持面之間粗糙，一旦存在相對運動趨勢，還會受靜磨擦力作用，設(shè)最大靜磨擦質(zhì)數(shù)為μ，則最大靜磨擦力為。如圖（2.4.1b）中人行走摩擦力方向圖解分析，水平面對物體的斥力（支持力與靜磨擦力的矢量和）與豎直方向的傾角α，滿足。α稱為磨擦角，無論支持力FN怎么變，α保持不變，其大小僅由磨擦質(zhì)數(shù)決定。現(xiàn)討論發(fā)生自鎖的條件。設(shè)用斜向上的推力F作用于物體，方向與豎直方向成θ時，假若滿足，無論用多大的力也推不動物體。若重力mg的影響無關(guān)緊要，有人行走摩擦力方向圖解分析，即，這是物體發(fā)生自鎖的條件。倘若這一條件不滿足，即，則物體所受動力小于阻力，物體都會運動。2.4.2豎直面的自鎖現(xiàn)象如圖（2.4.2）靠近在豎直墻面上的物體，在適當大的外力作用下，可以保持靜止。當外力大到重力可以忽視，無論用斜向下的力，還是用斜向上的力，發(fā)生自鎖的條件與水平面的情況是相同的。
如改用與豎直墻上的傾角來示，臨界角α0可抒發(fā)為。與水平面情況不同的，只是保證物體靜止的最小力條件。當用斜向下的力維持物體平衡時，不一定滿足自鎖條件，而若用斜向上的力使物體平衡，一定首先滿足自鎖條件才可能發(fā)生。而生產(chǎn)、生活中更多是發(fā)生在豎直方向的自鎖現(xiàn)象。2.4.3斜面上的自鎖現(xiàn)象如圖（2.4.3）一斜面上的物體，在沒有外力影響，或有適宜的外力作用時，可保持靜止。其自鎖條件由2.3節(jié)的討論可知自鎖條件是主動力的合力Q和斜面垂直方向的傾角滿足。它是介于水平面和豎直面間的一種情況，和它們沒有本質(zhì)的不同。在此不在做過多的剖析。2.5達到自鎖的途徑2.5.1通過控制角度達到“自鎖”在機械設(shè)計中常用到下邊的熱學原理。如圖(2.5.1a)，只要使曲軸AB與滑塊m所在平面間的傾角θ小于某個值，這么無論曲軸AB對滑塊施加多大的斥力，都不可能使之滑動，且曲軸AB對滑塊施加的斥力越大，滑塊就越穩(wěn)定,工程熱學上稱之為“自鎖”現(xiàn)象。為使滑塊能“自鎖”，討論θ應(yīng)滿足哪些條件。設(shè)滑塊與所在平面間的動磨擦質(zhì)數(shù)為μ。滑塊m的受力剖析如圖(2.5.1b)所示,將力F分別沿水平和豎直兩個方向分解,則按照平衡條件,在豎直方向上有（2.5）在水平方向上有（2.6）由以上兩式得（2.7）由于力F可以很大，所以μmg可以忽視,這么上式可以變?yōu)椋?.8）則θ應(yīng)滿足的條件為.（2.9）剖析曉得通過控制角度使推力在磨擦力方向上的分力總是大于最大靜磨擦力，進而達到自鎖的目的。
2.5.2通過控制磨擦質(zhì)數(shù)達到“自鎖”門上都安裝一種暗鎖，這些暗鎖由殼體A、骨架B，彈簧C(勁度系數(shù)為k)、鎖舌D(傾斜角θ=45)、鎖槽E，以及曲軸、鎖頭等部件組成，如圖(2.5.2a)所示。設(shè)鎖舌D與殼體A和鎖槽E之間的磨擦質(zhì)數(shù)均為μ，且遭到的最大靜磨擦力(N為正壓力)。有時反鎖外出，即使加很大力時，也不能將門關(guān)上(此種現(xiàn)象稱為自鎖)，此刻暗鎖所處的狀態(tài)如圖(2.5.2b)所示，P為鎖舌D與鎖槽E之間的接觸點，彈簧因為被壓縮而減短了x，正壓力很大，暗鎖依然滿足自鎖條件。其受力剖析如圖(2.5.2c)所示，由力的平衡條件可知（2.10）（2.11）（2.12）（2.13）由(2.10)~(2.13)式得正壓力的大小若,得，則N趨向。磨擦質(zhì)數(shù)是物體粗糙程度的反映，在其他條件相同的情況下，μ(最大靜磨擦質(zhì)數(shù))越大物體受的最大靜磨擦力就越大，物體越不容易被帶動。假如μ達到一定程度，使其他力在磨擦力方向上的合力總是大于最大靜磨擦力時，物體就達到了自鎖。2.5.3通過控制彈力達到“自鎖”如圖(2.5.3a)所示，由兩根短桿組成的一個自鎖定起重吊鉤，將它裝入被吊桶的罐口內(nèi)，其伸開一定的傾角壓緊在罐壁上，當鋼繩勻速向下提起時，兩桿對罐壁越壓越緊，若罐和短桿的承受力足夠大，能夠?qū)⒅匚锾岣呱先ァ?span style="display:none">eUR物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
罐越重，短桿提供的壓力越大，稱為“自鎖定機構(gòu)”。若罐質(zhì)量為m，短桿與豎直方向傾角為θ=60，求吊起該重物時，短桿對罐壁的壓力(短桿質(zhì)量不計)。對O點受力剖析如圖(2.5.3b)所示，兩根短桿的彈力F(沿桿)的合力與繩子的拉力()等大反向，故（2.14）對短桿對罐壁的斥力F進行分解如圖(2.5.3c)所示。桿對罐壁的壓力(2.15)由(2.14)、(2.15)兩式得這是一個利用巧妙的機械裝置達到自鎖的模型。它的原理是當自鎖機構(gòu)的兩側(cè)與罐接觸后，形成彈力和磨擦力托起罐，且罐越重，桿提供的壓力越大。這些機械裝置自鎖的應(yīng)用在日常生活中是比較普遍的。