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玩具汽车为何能爬墙
    时间:2015-11-18     点击率:21233

《力学园地》编辑部:前几天给我一岁半的儿子买了个玩具汽车,与普通汽车不同的是,它不只可以在平地上行驶,还能爬墙和在屋顶倒立行驶,我觉得这种现象非常奇妙,其中的具体力学原理能否请编辑部为我答疑解惑? 

一名读者

2015119

 

玩具汽车为何能爬墙

在地球引力场中,所有物体都受到垂直向下的重力作用,玩具小车也不例外 小车能贴紧墙壁不下落是依靠气流的负压吸附作用打开小车的外壳,除了遥控玩具必须具备的驱动主动轮和转向轮的小电机、减速箱以外,增加了一只功率更大的电机它带动一只轴流风机,不停地抽吸车内底部的空气造成负压小车的腹部紧贴墙壁,周围稍突起围成一个封闭的负压区两侧的纸质密封条加强了气流的密封性,形成一个吸盘牢牢将汽车附着在墙壁上

负压产生的吸力是沿墙壁法线的水平方向,不可能平衡沿垂直方向的重力 实际对重力的抗衡来自小车车轮与墙壁之间的摩擦力Ff吸力只是起了产生摩擦所必须的侧向正压力Fn 的作用1)。

1 爬墙汽车受力分析

设吸盘的平均负压为p,即环境气压 p0 与吸盘内气压 p 之差如吸盘区的面积为S,产生的吸力为Fa = pS根据库伦定律,摩擦力 Ff 受车轮与墙壁的静摩擦因数 m 的限制,即Ff < mFa要使摩擦力能平衡质量为 m 的小车,令Ff = mg,负压p 必须满足p > mg/(mS)m = 0.4m = 54 gS = 16 cm2,算出负压的最小值约为820N/m2,约合0.810 6 kPa用拉力计勾住被墙壁吸附的小车进行实测测出的最大摩擦力为1.72 N (增加纸质密封条后增大为1.82 N),远远超过小车的重量0.53 N汽车内的实际负压值约为3.04 kPa,远大于最小允许值

若小车在天花板上爬行,就不需要摩擦力参与平衡小车的重力被垂直向上的吸力直接平衡 需满足的平衡条件为Fa > mg,即p > mg=S要求负压的最小值约为330 N /m2 与爬墙情形比较,对负压的要求明显降低可见小车在天花板上倒立行驶看起来十分惊险,实际上却比爬墙更容易实现 

 

(胡漫根据相关资料摘编)