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玩具汽車為何能爬墻
力學(xué)園地
2016年01月04日一名讀者
2015年11月9日
玩具汽車為何能爬墻
在地球引力場中，所有物體都受到垂直向下的重力作用，玩具小車也不例外。 小車能貼緊墻壁不下落是依靠氣流的負(fù)壓吸附作用。打開小車的外殼，除了遙控玩具必須具備的驅(qū)動主動輪和轉(zhuǎn)向輪的小電機(jī)、減速箱以外，增加了一只功率更大的電機(jī)。它帶動一只軸流風(fēng)機(jī)，不停地抽吸車內(nèi)底部的空氣造成負(fù)壓。小車的腹部緊貼墻壁，周圍稍突起圍成一個封閉的負(fù)壓區(qū)。兩側(cè)的紙質(zhì)密封條加強(qiáng)了氣流的密封性，形成一個吸盤牢牢將汽車附著在墻壁上。
負(fù)壓產(chǎn)生的吸力是沿墻壁法線的水平方向，不可能平衡沿垂直方向的重力。 實(shí)際對重力的抗衡來自小車車輪與墻壁之間的摩擦力Ff。吸力只是起了產(chǎn)生摩擦所必須的側(cè)向正壓力Fn 的作用（圖1）。
圖1 爬墻汽車受力分析
設(shè)吸盤的平均負(fù)壓為 p，即環(huán)境氣壓 p0 與吸盤內(nèi)氣壓 p 之差。如吸盤區(qū)的面積為S，產(chǎn)生的吸力為Fa = pS。根據(jù)庫倫定律，摩擦力 Ff 受車輪與墻壁的靜摩擦因數(shù) m 的限制，即Ff < mFa。要使摩擦力能平衡質(zhì)量為 m 的小車，令Ff = mg，負(fù)壓 p 必須滿足 p > mg/(mS)。如m = 0.4，m = 54 g，S = 16 cm2，算出負(fù)壓的最小值約為820N/m2，約合0.810 6 kPa。用拉力計(jì)勾住被墻壁吸附的小車進(jìn)行實(shí)測，測出的最大摩擦力為1.72 N (增加紙質(zhì)密封條后增大為1.82 N)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過小車的重量0.53 N。汽車內(nèi)的實(shí)際負(fù)壓值約為3.04 kPa，遠(yuǎn)大于最小允許值。
若小車在天花板上爬行，就不需要摩擦力參與平衡。小車的重力被垂直向上的吸力直接平衡。 需滿足的平衡條件為Fa > mg，即 p > mg=S。要求負(fù)壓的最小值約為330 N /m2。 與爬墻情形比較，對負(fù)壓的要求明顯降低?？梢娦≤囋谔旎ò迳系沽⑿旭偪雌饋硎煮@險(xiǎn)，實(shí)際上卻比爬墻更容易實(shí)現(xiàn)。
（胡漫根據(jù)相關(guān)資料摘編）