無輪車如何運動

文江蘇省張家港市沙洲中學高一（4）班 繆帛洋

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

我發(fā)現(xiàn)，手持小電風扇運行時會在桌面上移動，這是小電風扇的振動引起的位移，這個發(fā)現(xiàn)使我開始了無輪車的制作。我把帶重擺的電動機連接電源，裝在木塊、塑料盒、玻璃盒、毛刷等上面，最終發(fā)現(xiàn)，裝在毛刷上時移動最快。

一、初步實驗，發(fā)現(xiàn)問題

1.制作目的

當電動機轉(zhuǎn)動時，實現(xiàn)小車裝置水平平移。

2.實驗材料

電動機，毛刷，電池盒，開關，重擺。模型圖見圖1。

3.實驗原理

電池提供的電能轉(zhuǎn)化成動能，為無輪車提供動力。電動機甩動重擺產(chǎn)生振動，引起毛刷的彈性形變，使得無輪車移動。

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)，未實現(xiàn)水平運動；電池電量不足，后面的實驗中裝置幾乎無法移動；重擺轉(zhuǎn)動速度太慢使裝置移速較慢。

二、測試探究各方因素

針對無輪車的運動無法控制的問題，我對各種實驗參數(shù)進行了探究。

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、普通尼龍刷進行實驗，發(fā)現(xiàn)毛刷越軟，小車越無法運動，或運動效果不明顯。采用普通尼龍刷運動效果較好。

2.電動機轉(zhuǎn)臂軸的傾角

電動機轉(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。實驗時，當電機軸平行于小車平面時，運動速度比前兩種豎直放置時快。

圖2電動機轉(zhuǎn)臂軸傾斜于小車平面

圖3電機動轉(zhuǎn)臂軸垂直于小車平面

圖4 電動機轉(zhuǎn)臂軸平行于小車平面

毛刷型無輪車利用的是偏心輪原理，如果能使無輪車受鉛垂面內(nèi)振動產(chǎn)生彈性形變，那種電動機放置方式對鉛垂面內(nèi)振動大，則運動效率高。值得注意的是，在水平面內(nèi)振動對毛刷型無輪車的影響小。

3.移動方向

假設1：毛刷型無輪車移動的方向與重擺旋轉(zhuǎn)的方向有關

實驗時打開開關，毛刷向 方向移動；將電池正、負極反接，使電動機反轉(zhuǎn)，毛刷仍向方向移動。實驗多次仍為此結果，可見毛刷型無輪車移動的方向與重擺旋轉(zhuǎn)的方向無關。

假設2：毛刷型無輪車移動的方向與不同方向的刷毛長度有關

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

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

電動機盡量置于車子的重心位置，這樣更能使車子作平移運動，否則就會隨機發(fā)生旋轉(zhuǎn)運動，無法控制運動方向。

三、針對無輪車的討論和建議

1.運動原理

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

如圖5，當電動機軸垂直于地面安裝時，產(chǎn)生的水平面內(nèi)振動導致小車左、右或前、后小幅度搖擺，間接產(chǎn)生鉛垂面內(nèi)的上、下振動，從而驅(qū)動小車移動。

無論怎樣安裝，只要有上、下方向的振動，毛刷就會受壓彎曲，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，所以小車會移動。圖6中，小車的移動效率明顯提高。

圖5 電動機軸垂直于小車平面

圖6 電動機軸平行于小車平面

2.影響毛刷型無輪車移動方向的因素

毛刷型無輪車移動的方向與毛刷的長度有關。只要重心發(fā)生變化，則可使車子實現(xiàn)某一方向的運動，而不會出現(xiàn)隨機旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。