力學(xué)中自我現(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)白鎖條件滿足時(shí)，無(wú)論施以多大的力都不司能讓一個(gè)物體與另一個(gè)物體之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng).本節(jié)通過(guò)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(guó)首次北極科學(xué)考察隊(duì)乘坐我國(guó)自行研制的“雪龍”號(hào)科學(xué)考察船對(duì)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(hào)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(duì)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(shí)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(gè)恰當(dāng)?shù)膬A斜角θ.設(shè)船壁與冰塊間的動(dòng)摩擦因數(shù)為μ，試問(wèn)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(lái)定性分析這個(gè)問(wèn)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(duì)象，其所受作用力分別為：船體對(duì)它的垂直于船壁向外的彈力F_N，冰層對(duì)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(dòng)，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(duì)它的浮力作用，由于這兩個(gè)力的合力與前面分析的三個(gè)力相比很小，為研究問(wèn)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.從碎冰塊的受力圖可見(jiàn)，F(xiàn)沿船壁向下的分力越大，摩擦力F_f越小，碎冰塊就越容易被擠向船底.實(shí)際上，如果假設(shè)冰層對(duì)冰塊的擠壓力F是一個(gè)定值，則F沿船壁向下的分力越大，摩擦力F，也一定越小，而θ角越大，F(xiàn)沿船壁向下的分力亦越大，故θ角一定要大于某一臨界值，才能夠使壓碎的冰塊被擠向船底.