摩擦起电是科学小实验吗（实验中的物理学）
解读文章作者：广州大学物理与电子工程学院谢洪鲸教授
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《加油！向未来》节目在央视最近火热播映，这是由中国科协特别支持，《知识就是力量》杂志倾力协助，明星与普通科学爱好者组队，为你开启科学之门的一档实验性节目。
7月31日晚播出的节目中，嘉宾试验摩擦自锁的环节，还记得撒贝宁、TFBOYS组合等明星一起上场亲身试验解读的场景吗？那感觉，跟蹦极一样刺激呢。试验结果表明：细而长的横杆能在顶端坐上人松开绳索后产生自动锁定的效果，这究竟是什么原理？快快跟着物理学教授学习摩擦自锁这点事儿吧。
摩擦自锁的原理是什么？
物体运动所需的条件是在其运动方向上的动力大于阻力，以在水平地面推动箱子为例，推力在产生水平方向动力的同时，也产生向下分力，导致箱子对地面的压力增加，进而增大地面与箱子之间的摩擦力。如果推力与水平方向的角度过大，则无论用多大的力推箱子，箱子与地面之间的静摩擦力都会阻止箱子运动，这就是摩擦自锁。推力在接触面法向（下图中为竖直方向）上的夹角小于某临界一角度时，就会发生摩擦自锁，此时推力越大，静摩擦力越大，自锁越牢固。与此类似还有斜面自锁。
水平地面推箱子
节目中的实验装置
（图片由央视《加油！向未来》提供）
节目中的实验装置由三部分组成：
1.固定于坚实的平台上的竖直圆柱形铁杆；
2.可在铁杆上自由滑动的有一定长度的圆筒；
3.远端固定着座椅的横杆，试验了长度不同的三条横杆，横杆的近端可通过八个螺丝与圆筒紧密连接成为一体。
横杆与圆筒的连接方式有两种，较短的两根仅通过八个螺丝与圆筒固定，而最长的一根杆则除了八个固定螺丝外还有一条连接在杆远端和圆筒上沿的钢缆，其目的是防止长杆在受力时变形。考虑到所采用的材料的强度以及横杆与圆筒的固定方式的牢固性，我们可以将横杆与圆筒视为一个整体，在以下我们称其为 T型杆。
T 型杆的重心
考虑到椅子和圆筒分别处于 T 型杆两端，当椅子上没有人时，T 型杆的重心（重力作用点）大概在横杆中心，如下图：
空椅子时T型杆重心位置
当嘉宾坐上椅子时，T 型杆重心处于靠近远端位置，如下图。显然，此时 T型杆越长，其重心就越远离竖直杆。
嘉宾坐上椅子时T型杆重心位置
力矩平衡
由于 T 型杆的重心并不在竖直杆上，重力的力矩将令其绕固定点O转动，结果在圆筒与竖直杆的两个接触点上产生对竖直杆的压力（与竖直杆的作用力等大反向，未画出），同时，竖直杆将产生反作用力阻止横杆的转动，如下图。由于实验中T型杆并未转动，下图中的三个力的合力矩为零（图中已按比例画出力的大小）。
T型杆的力矩平衡
上图中，重力力臂（图中以虚线画出）远长于阻力力臂，力矩平衡的结果使得竖直杆的作用力远大于重力。当然，如果 T型杆的长度较小，或者椅子上没有人，则竖直杆对圆筒的作用力相应大大减少，如下图：
空椅子时 T型杆的力矩平衡
摩擦力与摩擦自锁
忽略竖直杆以及圆筒的粗细，可近似地将圆筒对竖直杆的作用力（大小等于竖直杆对圆筒的作用力）视作圆筒对竖直杆的正压力。T 型杆在重力作用下有向下运动的趋向，静摩擦力方向向上。当圆筒上下两点受到的静摩擦力的合力小于T 型杆的重力时，T型杆将落下，正如视频中空椅子和较短横杆的情况。
撒贝宁坐在短横杆上试验的场景（图片由央视《加油！向未来》提供）
如果横杆足够长，T 型杆会产生很大的对竖直杆的正压力，当圆筒与竖直杆之间的静摩擦足以提供等于T 型杆重力的静摩擦力，则T 型杆将保持平衡，不会落下，从而实现摩擦自锁。正如视频中最后一个实验所示。
TFBOYS-王源 坐在长且细的横杆上试验的场景（图片由央视《加油！向未来》提供）
生活中的摩擦自锁应用有哪些？
生活中摩擦自锁具有广泛应用。例如在水平地面推箱子时要尽量使推力沿水平方向。当然，采用拉的方式更省力。木螺钉、自锁螺丝、螺旋千斤顶等都是使用斜面自锁原理的例子。另外，沙丘的形状就与摩擦自锁有关，机械加工时用于固定工件的夹具利用的也是摩擦自锁原理。
利用摩擦自锁原理的螺纹千斤顶 （图片来自网络）
刻印工具印床就是利用摩擦自锁原理 （图片来自网络）
利用摩擦自锁原理的榨汁机 （图片来自网络）
回顾节目中的未来博士科学课楚涵怎么说？
Q：未来博士，自锁是什么意思呢？完全没有概念呢....
A：其实摩擦自锁的现象在我们生活中非常常见，当我们用梯子爬墙的时候，梯子的一端在地面，而另外一端在墙面。如果没有摩擦力，梯子就会滑落下来。正是因为有了摩擦力，梯子、地面和墙面形成了摩擦自锁，所以我们才能顺着梯子往上爬。
（图片由央视《加油！向未来》提供）
（图片由央视《加油！向未来》提供）
上图中，黑色部分代表竖杆，蓝色部分代表套筒，而黄色部分代表人坐上去的横梁。当人坐在横杆最外侧的时候，由于重力原因，使得人带着横杆，有绕着A点往下转动的趋势。与此同时，竖杆和套筒之间就产生了挤压，由此会产生一个更大的摩擦力，也就将横梁和人锁住了。
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编辑：何郑燕
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