無輪車如何運(yùn)動(dòng)

文江蘇省張家港市沙洲中學(xué)高一（4）班 繆帛洋

車子的發(fā)展始于輪子，車子是由輪子對(duì)地面的摩擦而產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的。我用毛刷代替輪子制作了一輛無輪車，使其實(shí)現(xiàn)移動(dòng)，并探究了影響其運(yùn)動(dòng)的因素。

我發(fā)現(xiàn)，手持小電風(fēng)扇運(yùn)行時(shí)會(huì)在桌面上移動(dòng)，這是小電風(fēng)扇的振動(dòng)引起的位移，這個(gè)發(fā)現(xiàn)使我開始了無輪車的制作。我把帶重?cái)[的電動(dòng)機(jī)連接電源，裝在木塊、塑料盒、玻璃盒、毛刷等上面，最終發(fā)現(xiàn)，裝在毛刷上時(shí)移動(dòng)最快。

一、初步實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)問題

1.制作目的

當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，實(shí)現(xiàn)小車裝置水平平移。

2.實(shí)驗(yàn)材料

電動(dòng)機(jī)，毛刷，電池盒，開關(guān)，重?cái)[。模型圖見圖1。

3.實(shí)驗(yàn)原理

電池提供的電能轉(zhuǎn)化成動(dòng)能，為無輪車提供動(dòng)力。電動(dòng)機(jī)甩動(dòng)重?cái)[產(chǎn)生振動(dòng)，引起毛刷的彈性形變，使得無輪車移動(dòng)。

圖1單節(jié)電池的毛刷型無輪車

4.存在的問題

裝置以左端為圓心旋轉(zhuǎn)，未實(shí)現(xiàn)水平運(yùn)動(dòng)；電池電量不足，后面的實(shí)驗(yàn)中裝置幾乎無法移動(dòng)；重?cái)[轉(zhuǎn)動(dòng)速度太慢使裝置移速較慢。

二、測(cè)試探究各方因素

針對(duì)無輪車的運(yùn)動(dòng)無法控制的問題，我對(duì)各種實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行了探究。

1.材質(zhì)

分別采用優(yōu)質(zhì)黑豬鬃硬毛刷、優(yōu)質(zhì)黃豬鬃軟毛刷、普通尼龍刷進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)毛刷越軟，小車越無法運(yùn)動(dòng)，或運(yùn)動(dòng)效果不明顯。采用普通尼龍刷運(yùn)動(dòng)效果較好。

2.電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)臂軸的傾角

電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)臂軸傾斜于小車平面見圖2，垂直于小車平面見圖3，平行于小車平面見圖4。實(shí)驗(yàn)時(shí)，當(dāng)電機(jī)軸平行于小車平面時(shí)，運(yùn)動(dòng)速度比前兩種豎直放置時(shí)快。

圖2電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)臂軸傾斜于小車平面

圖3電機(jī)動(dòng)轉(zhuǎn)臂軸垂直于小車平面

圖4 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)臂軸平行于小車平面

毛刷型無輪車?yán)玫氖瞧妮喸恚绻苁篃o輪車受鉛垂面內(nèi)振動(dòng)產(chǎn)生彈性形變，那種電動(dòng)機(jī)放置方式對(duì)鉛垂面內(nèi)振動(dòng)大，則運(yùn)動(dòng)效率高。值得注意的是，在水平面內(nèi)振動(dòng)對(duì)毛刷型無輪車的影響小。

3.移動(dòng)方向

假設(shè)1：毛刷型無輪車移動(dòng)的方向與重?cái)[旋轉(zhuǎn)的方向有關(guān)

實(shí)驗(yàn)時(shí)打開開關(guān)，毛刷向 方向移動(dòng)；將電池正、負(fù)極反接，使電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，毛刷仍向方向移動(dòng)。實(shí)驗(yàn)多次仍為此結(jié)果，可見毛刷型無輪車移動(dòng)的方向與重?cái)[旋轉(zhuǎn)的方向無關(guān)。

假設(shè)2：毛刷型無輪車移動(dòng)的方向與不同方向的刷毛長(zhǎng)度有關(guān)

剪短單側(cè)刷毛，發(fā)現(xiàn)小車向短的一端移動(dòng)，這表明毛刷型無輪車移動(dòng)的方向與刷毛長(zhǎng)度有關(guān)。

假設(shè)3：毛刷型無輪車移動(dòng)的方向與轉(zhuǎn)臂回轉(zhuǎn)中心相對(duì)于小車重心的前后位置有關(guān)

電動(dòng)機(jī)盡量置于車子的重心位置，這樣更能使車子作平移運(yùn)動(dòng)，否則就會(huì)隨機(jī)發(fā)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，無法控制運(yùn)動(dòng)方向。

三、針對(duì)無輪車的討論和建議

1.運(yùn)動(dòng)原理

毛刷型無輪車的前行主要受鉛垂面內(nèi)振動(dòng)的影響，水平面內(nèi)振動(dòng)的影響小。

如圖5，當(dāng)電動(dòng)機(jī)軸垂直于地面安裝時(shí)，產(chǎn)生的水平面內(nèi)振動(dòng)導(dǎo)致小車左、右或前、后小幅度搖擺，間接產(chǎn)生鉛垂面內(nèi)的上、下振動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)小車移動(dòng)。

無論怎樣安裝，只要有上、下方向的振動(dòng)，毛刷就會(huì)受壓彎曲，隨即又放松回彈。受壓彎曲后毛刷回彈方向變化，產(chǎn)生一定程度的偏移，所以小車會(huì)移動(dòng)。圖6中，小車的移動(dòng)效率明顯提高。

圖5 電動(dòng)機(jī)軸垂直于小車平面

圖6 電動(dòng)機(jī)軸平行于小車平面

2.影響毛刷型無輪車移動(dòng)方向的因素

毛刷型無輪車移動(dòng)的方向與毛刷的長(zhǎng)度有關(guān)。只要重心發(fā)生變化，則可使車子實(shí)現(xiàn)某一方向的運(yùn)動(dòng)，而不會(huì)出現(xiàn)隨機(jī)旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。