創(chuàng)客秘笈之螺旋槳反沖小車篇

溫初明 李杰 黃鳳迎

本期“創(chuàng)造行動”為大家報(bào)道了第四屆全區(qū)青少年科技運(yùn)動會的盛況，栗子君知道，某些“造粉”一定心癢手癢，也想玩玩。好，栗子君將陸續(xù)邀請各項(xiàng)目的高手前來傳道論劍，你們拜師也罷挑戰(zhàn)也罷，統(tǒng)統(tǒng)放馬過來！今天率先登場的，是這幾位大咖——

螺旋槳反沖小車競速是一個很有趣的科技競賽項(xiàng)目。要完成競速，需要對車子的架構(gòu)、外形、零件等進(jìn)行設(shè)計(jì)、制作，按要求完成拼裝;要提高速度，需要用物理知識分析影響因素，如空氣阻力、內(nèi)部摩擦力、起步加速度等;要打磨細(xì)節(jié)，需要裁剪工具、打磨工具、焊接工具等;要減少誤差，需要更精密的儀器如游標(biāo)卡尺、螺旋測微器等，對重要部件進(jìn)行測量，用激光雕刻機(jī)加工部分部件……整個比賽和訓(xùn)練的過程，其實(shí)就相當(dāng)于一個科學(xué)項(xiàng)目的研究探討過程。

今年的廣西青少年科技運(yùn)動會，我校團(tuán)隊(duì)獲得了該項(xiàng)目高中組的冠軍與季軍，賽后我們總結(jié)了一些經(jīng)驗(yàn)心得，在此與大家分享。

從物理角度分析，物體質(zhì)量越大慣性就越大，即小車越重，起步加速就越慢。故小車應(yīng)做得輕、小，應(yīng)選用較輕的材料，如泡沫、紙板等制作。

車輪的材質(zhì)，應(yīng)與跑道有一定摩擦力，防止打滑影響加速。

小車運(yùn)動時(shí)會受空氣阻力影響，小車正面面積越大，所受空氣阻力就越大。故小車車身應(yīng)做成斜面迎風(fēng)，以減少空氣阻力的影響。

小車要盡可能直線行走，才能順利通過5米長的直軌道，所以小車的圓形車輪需擺向平直，安裝精準(zhǔn)。在制作時(shí)我們選擇用激光雕刻機(jī)切割，以減小車輪尺寸的誤差，并調(diào)整車軸、車輪的角度，保證小車盡可能地直線行走。

小車的主要結(jié)構(gòu)為車身、車軸筒、車軸、車輪等，它們的銜接要格外注意。車軸與車軸筒的選擇應(yīng)保證尺寸相差不大，否則會出現(xiàn)車子擺動的問題。車輪與車軸連接后放入車軸筒時(shí)，注意車輪切勿碰觸到車軸筒，否則會產(chǎn)生摩擦，阻礙小車加速。

小車的驅(qū)動力來自馬達(dá)和螺旋槳。因馬達(dá)所用的能源已規(guī)定為兩節(jié)南孚5號堿性電池，所以影響小車性能的主要是電機(jī)（馬達(dá)）和螺旋槳的選擇。電機(jī)的選擇并非按照參數(shù)轉(zhuǎn)速越高越好。因?yàn)閮晒?jié)干電池的串聯(lián)電壓為3V，達(dá)不到大部分高質(zhì)量電機(jī)的額定工作電壓，故一些電機(jī)即使質(zhì)量較好，也達(dá)不到預(yù)期效果。且不同電機(jī)重量也不同。故選擇電機(jī)時(shí)要進(jìn)行實(shí)際測試，即用同一螺旋槳，通過風(fēng)速測試儀來比較不同電機(jī)的風(fēng)力大小。螺旋槳的選擇可用同樣的方法測試。

從物理角度分析，物體質(zhì)量越大慣性就越大，即小車越重，起步加速就越慢。故小車應(yīng)做得輕、小，應(yīng)選用較輕的材料，如泡沫、紙板等制作。

車輪的材質(zhì)，應(yīng)與跑道有一定摩擦力，防止打滑影響加速。

小車運(yùn)動時(shí)會受空氣阻力影響，小車正面面積越大，所受空氣阻力就越大。故小車車身應(yīng)做成斜面迎風(fēng)，以減少空氣阻力的影響。

小車要盡可能直線行走，才能順利通過5米長的直軌道，所以小車的圓形車輪需擺向平直，安裝精準(zhǔn)。在制作時(shí)我們選擇用激光雕刻機(jī)切割，以減小車輪尺寸的誤差，并調(diào)整車軸、車輪的角度，保證小車盡可能地直線行走。

小車的主要結(jié)構(gòu)為車身、車軸筒、車軸、車輪等，它們的銜接要格外注意。車軸與車軸筒的選擇應(yīng)保證尺寸相差不大，否則會出現(xiàn)車子擺動的問題。車輪與車軸連接后放入車軸筒時(shí)，注意車輪切勿碰觸到車軸筒，否則會產(chǎn)生摩擦，阻礙小車加速。

小車的驅(qū)動力來自馬達(dá)和螺旋槳。因馬達(dá)所用的能源已規(guī)定為兩節(jié)南孚5號堿性電池，所以影響小車性能的主要是電機(jī)（馬達(dá)）和螺旋槳的選擇。電機(jī)的選擇并非按照參數(shù)轉(zhuǎn)速越高越好。因?yàn)閮晒?jié)干電池的串聯(lián)電壓為3V，達(dá)不到大部分高質(zhì)量電機(jī)的額定工作電壓，故一些電機(jī)即使質(zhì)量較好，也達(dá)不到預(yù)期效果。且不同電機(jī)重量也不同。故選擇電機(jī)時(shí)要進(jìn)行實(shí)際測試，即用同一螺旋槳，通過風(fēng)速測試儀來比較不同電機(jī)的風(fēng)力大小。螺旋槳的選擇可用同樣的方法測試。

◆車身的設(shè)計(jì)與裁剪 車身是核心部件之一，需要放置電池、電機(jī)，還要下置車輪、車軸、開關(guān)。為了盡量減小空氣阻力和車身重量，在設(shè)計(jì)時(shí)，需減小車身體積和質(zhì)量。如左圖所示，這樣擺放車身正投影尺寸只有40×70mm大小。

裁剪時(shí)，在車身上繪制前后平行的兩條線，作為前后車軸的固定線;垂直于車軸線中點(diǎn)再繪制一條線，作為整體車身方向的標(biāo)準(zhǔn)線，以及放置電池和電機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)線，這一細(xì)節(jié)極為重要，是保證小車行駛方向的決定性要素。底部預(yù)留出一段紙板，翻折到電池上方作為電機(jī)的固定點(diǎn)。折面做成斜面，以減少空氣阻力。

◆車軸、車輪的組裝固定和調(diào)試 裁剪好自行車輻條、筆芯管，組裝成車軸。用雙面膠將車軸固定在上一步預(yù)畫好的平行線位置。安裝車輪時(shí)，注意車軸要盡可能垂直地插入車輪軸心。裝完車輪后轉(zhuǎn)動一下，觀察車輪是否擺動，是否在同一個平面上轉(zhuǎn)動，若擺動過大或不在同一個平面轉(zhuǎn)動，說明車軸與車輪不垂直，應(yīng)立即調(diào)換其他車輪，重新安裝。

組裝完畢進(jìn)行調(diào)試：將小車放在地上輕輕向前推出，若小車滑動減速明顯，說明車輪或車軸摩擦力過大，應(yīng)進(jìn)行修剪或添加細(xì)碳粉進(jìn)行潤滑;若小車不保持直線行駛，說明車軸未放平。完成細(xì)節(jié)調(diào)整后，用熱熔膠將車軸固定。

◆整體調(diào)試 將小車放在比賽賽道上輕推，使其能從賽道通過即可，不需通電測試。若發(fā)現(xiàn)小車方向偏移，應(yīng)立即檢查前后車軸是否平行，車輪轉(zhuǎn)動是否平穩(wěn)，行駛時(shí)是否發(fā)生擺動。調(diào)整后再測試，無問題后再用熱熔膠固定重要部件。

▲車身修剪應(yīng)盡量平整，電池和電機(jī)的擺放需盡量靠后，但要注意重心位置。若重心過于偏后，小車行駛時(shí)前輪可能會翹起，以致螺旋槳打到地板。

△車軸與車軸筒連接處可添加一些碳粉，減少摩擦力。

▲小車正面迎風(fēng)部分可添加一些流線型結(jié)構(gòu)，減小空氣阻力。

△螺旋槳的安裝位置盡量靠近地板，出風(fēng)面方向要盡量平行于小車前進(jìn)方向，保證推動力不會過多消耗。

▲電池在焊接時(shí)需打磨一下正負(fù)極面，因極面較光滑，直接焊接難以牢靠。

△小車在測試時(shí)如出現(xiàn)輕微的方向擺動，可在出發(fā)時(shí)將車頭微微偏向另一方向來做微調(diào)。

▲小車在起步階段需要一段加速過程，而比賽時(shí)的計(jì)時(shí)區(qū)為起點(diǎn)線至終點(diǎn)線部分，故可合理利用起跑區(qū)的距離，讓小車從盡量靠后的地方起步，進(jìn)行一段距離的加速后再進(jìn)入計(jì)時(shí)區(qū)。這樣小車的起始速度更大，加速所用的時(shí)間更少。

總之，整個項(xiàng)目的探究過程要求選手將學(xué)過的各種知識結(jié)合起來，并應(yīng)用于實(shí)際。它不是試卷上理想化的、答案唯一的題目，而是極具創(chuàng)意與挑戰(zhàn)，故同學(xué)們都十分感興趣。有了濃厚的興趣，大家會自然而然、自覺主動地投入到探索與研究中，潛移默化地學(xué)會根據(jù)需求去接觸和學(xué)習(xí)基礎(chǔ)技能，漸漸提高面對問題的處理能力。

最后，愿各位同學(xué)也能像我們的隊(duì)員一樣，在快樂中學(xué)習(xí)，在學(xué)習(xí)中快樂！