一名读者
2015年11月9日
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(图1)。
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)。如m = 0.4,m = 54 g,S = 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)