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

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

我發現，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，這個發現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，最終發現，裝在毛刷上時移動最快。

一、初步實驗，發現問題

1.制作目的

當電動機轉動時，實現小車裝置水平平移。

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

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

圖1單節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，未實現水平運動；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，我對各種實驗參數進行了探究。

1.材質

分別采用優質黑豬鬃硬毛刷、優質黃豬鬃軟毛刷、普通尼龍刷進行實驗，發現毛刷越軟，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.電動機轉臂軸的傾角

電動機轉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電動機轉臂軸傾斜于小車平面

圖3電機動轉臂軸垂直于小車平面

圖4 電動機轉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振動產生彈性形變，那種電動機放置方式對鉛垂面內振動大，則運動效率高。值得注意的是，在水平面內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，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

剪短單側刷毛，發現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臂回轉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，否則就會隨機發生旋轉運動，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振動的影響，水平面內振動的影響小。

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

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。只要重心發生變化，則可使車子實現某一方向的運動，而不會出現隨機旋轉的現象。