力学中自我现象的应用实例分析

李建军

自锁现象是力学中的一种特有现象，当白锁条件满足时，无论施以多大的力都不司能让一个物体与另一个物体之间发生相对运动.本节通过实例谈谈这种现象在生产和生活中的应用.

例1 1999年，中国首次北极科学考察队乘坐我国自行研制的“雪龙”号科学考察船对北极地区海域进行了全方位的卓有成效的科学考察.这次考察获得了圆满的成功，并取得一大批极为珍贵的资料.“雪龙”号科学考察船不仅采用特殊的材料，而且船体的结构也满足一定的条件，以对付北极地区的冰块和冰层.它是靠自身的重力压碎周围的冰块，同时又将碎冰挤向船底.如果碎冰块仍挤在冰层与船体之间，船体由于受巨大的侧压力，而可能解体，如图1所示.为此，船壁与竖直平面之间必须有一个恰当的倾斜角θ.设船壁与冰块间的动摩擦因数为μ，试问为使压碎的冰块能被挤向船底，θ角应满足什么条件.

解析 首先让我们来定性分析这个问题.压碎以后的冰块怎样才能够挤向船底呢？必须使冰块所受合力沿船体壁向下（即指向船底）.选取碎冰块作为研究对象，其所受作用力分别为：船体对它的垂直于船壁向外的弹力F_N，冰层对它的水平方向的挤压力F，船壁与碎冰块之间的摩擦力F_f要使冰块向船底运动，摩擦力的方向必沿船壁向上.此外，碎冰块还受到自身重力与水对它的浮力作用，由于这两个力的合力与前面分析的三个力相比很小，为研究问题方便，可忽略不计，这是中学物理常用的一种理想化思维方法，故冰块的受力如图2所示.从碎冰块的受力图可见，F沿船壁向下的分力越大，摩擦力F_f越小，碎冰塊就越容易被挤向船底.实际上，如果假设冰层对冰块的挤压力F是一个定值，则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沿船壁向下的分力亦越大，故θ角一定要大于某一临界值，才能够使压碎的冰块被挤向船底.