无轮车如何运动

缪帛洋

车子的发展始于轮子，车子是由轮子对地面的摩擦而产生运动的。我用毛刷代替轮子制作了一辆无轮车，使其实现移动，并探究了影响其运动的因素。

我发现，手持小电风扇运行时会在桌面上移动，这是小电风扇的振动引起的位移，这个发现使我开始了无轮车的制作。我把带重摆的电动机连接电源，装在木块、塑料盒、玻璃盒、毛刷等上面，最终发现，装在毛刷上时移动最快。

一、初步实验，发现问题

1.制作目的

当电动机转动时，实现小车装置水平平移。

2.实验材料

电动机，毛刷，电池盒，开关，重摆。模型图见图1。

3.实验原理

电池提供的电能转化成动能，为无轮车提供动力。电动机甩动重摆产生振动，引起毛刷的弹性形变，使得无轮车移动。

4.存在的问题

装置以左端为圆心旋转，未实现水平运动;电池电量不足，后面的实验中装置几乎无法移动;重摆转动速度太慢使装置移速较慢。

二、测试探究各方因素

针对无轮车的运动无法控制的问题，我对各种实验参数进行了探究。

1.材质

分别采用优质黑猪鬃硬毛刷、优质黄猪鬃软毛刷、普通尼龙刷进行实验，发现毛刷越软，小车越无法运动，或运动效果不明显。采用普通尼龙刷运动效果较好。

2.电动机转臂轴的倾角

电动机转臂轴倾斜于小车平面见图2，垂直于小车平面见图3，平行于小车平面见图4。实验时，当电机轴平行于小车平面时，运动速度比前两种竖直放置时快。

毛刷型无轮车利用的是偏心轮原理，如果能使无轮车受铅垂面内振动产生弹性形变，那种电动机放置方式对铅垂面内振动大，则运动效率高。值得注意的是，在水平面内振动对毛刷型无轮车的影响小。

3.移动方向

假设1：毛刷型无轮车移动的方向与重摆旋转的方向有关

实验时打开开关，毛刷向a方向移动;将电池正、负极反接，使电动机反转，毛刷仍向a方向移动。实验多次仍为此结果，可见毛刷型无轮车移动的方向与重摆旋转的方向无关。

假设2：毛刷型无轮车移动的方向与不同方向的刷毛长度有关

剪短单侧刷毛，發现小车向短的一端移动，这表明毛刷型无轮车移动的方向与刷毛长度有关。

假设3：毛刷型无轮车移动的方向与转臂回转中心相对于小车重心的前后位置有关

电动机尽量置于车子的重心位置，这样更能使车子作平移运动，否则就会随机发生旋转运动，无法控制运动方向。

三、针对无轮车的讨论和建议

1.运动原理

毛刷型无轮车的前行主要受铅垂面内振动的影响，水平面内振动的影响小。

如图5，当电动机轴垂直于地面安装时，产生的水平面内振动导致小车左、右或前、后小幅度摇摆，间接产生铅垂面内的上、下振动，从而驱动小车移动。

无论怎样安装，只要有上、下方向的振动，毛刷就会受压弯曲，随即又放松回弹。受压弯曲后毛刷回弹方向变化，产生一定程度的偏移，所以小车会移动。图6中，小车的移动效率明显提高。

2.影响毛刷型无轮车移动方向的因素

毛刷型无轮车移动的方向与毛刷的长度有关。只要重心发生变化，则可使车子实现某一方向的运动，而不会出现随机旋转的现象。