自锁现象是热学中的特殊现象，在生活和工业生产当中应用广泛，论文对热学自锁现象的定义、产生缘由及生活工程中的实际应用进行了总结和研究，了解了自锁现象形成的机理和生活中常见自锁现象的实质，明晰了自锁现象是高技术机械的基础借助自锁原理可以设计一些机巧的机械、自锁现象有利有弊，破坏了自锁条件即可解除不须要的自锁及借助自锁原理设计的机械才能解决好多实际问题。通过对热学自锁现象的研究和应用剖析，深入的了解热学中的自锁现象，为自锁现象更为广泛的应用于实际打下理论基础。关键词:自锁现象；自锁条件；自锁应用序言热学是数学学的一个分支。它记述和研究人类从自然现象和生产活动中认识及应用物体机械规律的历史。我国唐代春秋时期墨翟及其弟子的专著《墨经》(公元前4~公元前3世纪)中，就有涉及力的概念，对杠杆平衡、重心、浮力、强度、刚度都有表述。清朝《尚书纬考灵曜》、《论衡》等古籍中也零星有热学知识记载。清代李诫在《营造西式》中指出梁截面高与宽之比以3:2为好。沈括则在《梦溪笔谈》记载了频度为1:2的琴弦共振，既固体弹性波的空腔效应等热学知识。可看出作者谓功底艰深。另一方面：秦代李冰兄妹在重庆沱江，领导人民建造的造福今人的世界级水利工程，成都。
约建于591~599年的赵州桥，跨径37.4米，采用拱券高只有7米的浅拱；1056年建成的广东宁县木塔，采用筒式结构和各类砖雕，900多年来经受过多次水灾的考验。东汉张衡创造了复杂精密的日晷和浑天仪；三国时的马钧创造了手册车和离心坝体机。从中可看出中国先人对热学的认识是深刻，对热学的运用是饱含令人钦佩的智慧的。在近代和现代，热学随着研究内容的深入和研究领域的扩大渐渐产生各个分支，近些年来又出现了跨分支、跨学科综合研究的趋势。周培源有言：热学不独在数学学中占极重要的地位，但是对于天文学及各类工程学皆有极大的贡献。天文学中的天体热学，即解释各行星围绕太阳运动的学问，是一种依据于热学各定理的估算，它的理论结果和天文检测甚为吻合。至于各类工程学都和热学有关系，只是有深有浅而已。即使热学发展迅速，但热学基础未变。利使劲学基础知识进行创新、发明是现今的一大特征。热学中有一类现象称为“自锁现象”，借助自锁现象的热学原理开发出了各类各样的机械工具，广泛应用于工农业生产中，在日常生活中借助这一原理的现象也随处可见。自锁现象的研究2.1磨擦力基础知识磨擦是在物体互相接触且有斥力时形成的，磨擦力大小与主动力有关。
在通常条件下，磨擦满足古典磨擦定理：1.当法向荷载较大时,磨擦力与法向压力呈非线性关系,法向荷载愈大,磨擦力降低得愈快；2.有一定屈服点的材料(如金属),其磨擦阻力才与接触面积无关.粘弹性材料的磨擦力与接触面积有关；3.精确检测,磨擦力与速率有关,金属与金属的磨擦力随速率的变化不大；4.粘弹性材料的静磨擦质数不小于动磨擦质数。其中静磨擦力与垂直力的比列系数为，静磨擦力。2.2自锁现象的定义一个物体受静磨擦力作用而静止，当用外力企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，即最大静磨擦力的保护能力越强，这些现象叫自锁（定）现象。最简单的自锁情况就是斜面自锁。先看一个简单的事例，如图(2-2-1).有一三角斜坡，底脚为θ，斜坡里面有一静止的方铁块，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。斜坡和方铁块的磨擦系数μ满足（2.1）可推得（2.2）可以看出不论铁块质量怎样，铁块都将保持静止。甚至加一和重力相同方向的力在铁块上，不论力的大小，铁块仍保持静止。2.3自锁现象形成缘由从（2.2.1）式可发觉自锁现象的形成与磨擦系数和角度θ有关，因而可以引进磨擦角的概念。
假定上例中斜坡底脚θ可变。我们把法向反斥力N与磨擦力F的合力R称为支持面对物体的全反力(http:///view/.htm"")。全反力和法线的倾角为α。当磨擦力F达到最大值Fmax，这时的倾角α达到最大值β，把β称为磨擦角。(2.3)此式表明：磨擦角β的余弦等于静磨擦质数μ。（2.4）由几何关系可推得β等于底脚θ。因为静磨擦力不可能超过最大值，因而全约束力的作用线也不可能超出磨擦角以外，即全约束反力必在磨擦角之内。从而可知假若作用于物体的主动力的合力Q的作用线在磨擦角之内，则无论这个力如何大，总有一个全反力R与之平衡，物体保持静止；反之，假如主动力的合力Q的作用线在磨擦角之外，则无论这个力多么小，物体也不可能保持平衡。出现自锁现象的实质缘由是，自锁条件满足时，保持物体静止的力会随外力的减小而环比例减小。磨擦质数一定时。自锁的发生只和磨擦角有关和力大小无关。2.4几种简单的自锁现象2.4.1水平面上的自锁现象如图（2.4.1a），重力为G的物体，放置在粗糙的水平面上，当用适当大小的水平外力（如F1）推它时，总可以使它动上去。
但当用竖直向上的力去推（如F2），其实它不会动。即使F2的方向旋转一个小角度（如F3），即使用再大的力它也不一定会运动。只有当力的方向与竖直方向的倾角超过某一角度值时（如F4），才可能用适当的力将它推进，而大于这一角度，无论用多大的力都不可能促使它。这是由于所施力的水平分力在减小的同时，正向下的压力也环比例的减小。后者导致物体有运动趋势，前者提供最大静磨擦的条件保障。当物体与支持面之间粗糙，一旦存在相对运动趋势，还会受静磨擦力作用，设最大静磨擦质数为μ，则最大静磨擦力为。如图（2.4.1b）中人行走摩擦力方向图解分析，水平面对物体的斥力（支持力与静磨擦力的矢量和）与竖直方向的倾角α，满足。α称为磨擦角，无论支持力FN怎么变，α保持不变，其大小仅由磨擦质数决定。现讨论发生自锁的条件。设用斜向上的推力F作用于物体，方向与竖直方向成θ时，假若满足，无论用多大的力也推不动物体。若重力mg的影响无关紧要，有人行走摩擦力方向图解分析，即，这是物体发生自锁的条件。倘若这一条件不满足，即，则物体所受动力小于阻力，物体都会运动。2.4.2竖直面的自锁现象如图（2.4.2）靠近在竖直墙面上的物体，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视，无论用斜向下的力，还是用斜向上的力，发生自锁的条件与水平面的情况是相同的。
如改用与竖直墙上的倾角来示，临界角α0可抒发为。与水平面情况不同的，只是保证物体静止的最小力条件。当用斜向下的力维持物体平衡时，不一定满足自锁条件，而若用斜向上的力使物体平衡，一定首先满足自锁条件才可能发生。而生产、生活中更多是发生在竖直方向的自锁现象。2.4.3斜面上的自锁现象如图（2.4.3）一斜面上的物体，在没有外力影响，或有适宜的外力作用时，可保持静止。其自锁条件由2.3节的讨论可知自锁条件是主动力的合力Q和斜面垂直方向的倾角满足。它是介于水平面和竖直面间的一种情况，和它们没有本质的不同。在此不在做过多的剖析。2.5达到自锁的途径2.5.1通过控制角度达到“自锁”在机械设计中常用到下边的热学原理。如图(2.5.1a)，只要使曲轴AB与滑块m所在平面间的倾角θ小于某个值，这么无论曲轴AB对滑块施加多大的斥力，都不可能使之滑动，且曲轴AB对滑块施加的斥力越大，滑块就越稳定,工程热学上称之为“自锁”现象。为使滑块能“自锁”，讨论θ应满足哪些条件。设滑块与所在平面间的动磨擦质数为μ。滑块m的受力剖析如图(2.5.1b)所示,将力F分别沿水平和竖直两个方向分解,则按照平衡条件,在竖直方向上有（2.5）在水平方向上有（2.6）由以上两式得（2.7）由于力F可以很大，所以μmg可以忽视,这么上式可以变为（2.8）则θ应满足的条件为.（2.9）剖析晓得通过控制角度使推力在磨擦力方向上的分力总是大于最大静磨擦力，进而达到自锁的目的。
2.5.2通过控制磨擦质数达到“自锁”门上都安装一种暗锁，这些暗锁由壳体A、骨架B，弹簧C(劲度系数为k)、锁舌D(倾斜角θ=45)、锁槽E，以及曲轴、锁头等部件组成，如图(2.5.2a)所示。设锁舌D与壳体A和锁槽E之间的磨擦质数均为μ，且遭到的最大静磨擦力(N为正压力)。有时反锁外出，即使加很大力时，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(2.5.2b)所示，P为锁舌D与锁槽E之间的接触点，弹簧因为被压缩而减短了x，正压力很大，暗锁依然满足自锁条件。其受力剖析如图(2.5.2c)所示，由力的平衡条件可知（2.10）（2.11）（2.12）（2.13）由(2.10)~(2.13)式得正压力的大小若,得，则N趋向。磨擦质数是物体粗糙程度的反映，在其他条件相同的情况下，μ(最大静磨擦质数)越大物体受的最大静磨擦力就越大，物体越不容易被带动。假如μ达到一定程度，使其他力在磨擦力方向上的合力总是大于最大静磨擦力时，物体就达到了自锁。2.5.3通过控制弹力达到“自锁”如图(2.5.3a)所示，由两根短杆组成的一个自锁定起重吊钩，将它装入被吊桶的罐口内，其伸开一定的倾角压紧在罐壁上，当钢绳匀速向下提起时，两杆对罐壁越压越紧，若罐和短杆的承受力足够大，能够将重物提高上去。
罐越重，短杆提供的压力越大，称为“自锁定机构”。若罐质量为m，短杆与竖直方向倾角为θ=60，求吊起该重物时，短杆对罐壁的压力(短杆质量不计)。对O点受力剖析如图(2.5.3b)所示，两根短杆的弹力F(沿杆)的合力与绳子的拉力()等大反向，故（2.14）对短杆对罐壁的斥力F进行分解如图(2.5.3c)所示。杆对罐壁的压力(2.15)由(2.14)、(2.15)两式得这是一个利用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侧与罐接触后，形成弹力和磨擦力托起罐，且罐越重，杆提供的压力越大。这些机械装置自锁的应用在日常生活中是比较普遍的。