力學(xué)中自鎖現(xiàn)象的應(yīng)用實(shí)例分析

李建軍

自鎖現(xiàn)象是力學(xué)中的一種特有現(xiàn)象，當(dāng)自鎖條件滿足時，無論施以多大的力都不可能讓一個物體與另一個物體之間發(fā)生相對運(yùn)動。本節(jié)通過實(shí)例談?wù)勥@種現(xiàn)象在生產(chǎn)和生活中的應(yīng)用。

例1 1999年，中國首次北極科學(xué)考察隊(duì)乘坐我國自行研制的“雪龍”號科學(xué)考察船對北極地區(qū)海域進(jìn)行了全方位的卓有成效的科學(xué)考察。這次考察獲得了圓滿的成功，并取得一大批極為珍貴的資料。“雪龍”號科學(xué)考察船不僅采用特殊的材料，而且船體的結(jié)構(gòu)也滿足一定的條件，以對付北極地區(qū)的冰塊和冰層。它是靠自身的重力壓碎周圍的冰塊，同時又將碎冰擠向船底。如果碎冰塊仍擠在冰層與船體之間，船體由于受巨大的側(cè)壓力，而可能解體，如圖1所示。為此，船壁與豎直平面之間必須有一個恰當(dāng)?shù)膬A斜角θ，設(shè)船壁與冰塊間的動摩擦因數(shù)為μ，試問為使壓碎的冰塊能被擠向船底，θ角應(yīng)滿足什么條件。

解析 首先讓我們來定性分析這個問題。壓碎以后的冰塊怎樣才能夠擠向船底呢？必須使冰塊所受合力沿船體壁向下（即指向船底）。選取碎冰塊作為研究對象，其所受作用力分別為：船體對它的垂直于船壁向外的彈力F_N，冰層對它的水平方向的擠壓力F，船壁與碎冰塊之間的摩擦力F_f，要使冰塊向船底運(yùn)動，摩擦力的方向必沿船壁向上。此外，碎冰塊還受到自身重力與水對它的浮力作用，由于這兩個力的合力與前面分析的三個力相比很小，為研究問題方便，可忽略不計(jì)，這是中學(xué)物理常用的一種理想化思維方法，故冰塊的受力如圖2所示。……