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玩具汽车为何能爬墙
时间:2015-11-18 　　　　点击率:3271

《力学园地》编辑部：前几天给我一岁半的儿子买了个玩具汽车，与普通汽车不同的是，它不只可以在平地上行驶，还能爬墙和在屋顶倒立行驶，我觉得这种现象非常奇妙，其中的具体力学原理能否请编辑部为我答疑解惑？

一名读者

2015年11月9日

玩具汽车为何能爬墙

在地球引力场中，所有物体都受到垂直向下的重力作用，玩具小车也不例外。 小车能贴紧墙壁不下落是依靠气流的负压吸附作用。打开小车的外壳，除了遥控玩具必须具备的驱动主动轮和转向轮的小电机、减速箱以外，增加了一只功率更大的电机。它带动一只轴流风机，不停地抽吸车内底部的空气造成负压。小车的腹部紧贴墙壁，周围稍突起围成一个封闭的负压区。两侧的纸质密封条加强了气流的密封性，形成一个吸盘牢牢将汽车附着在墙壁上。

负压产生的吸力是沿墙壁法线的水平方向，不可能平衡沿垂直方向的重力。 实际对重力的抗衡来自小车车轮与墙壁之间的摩擦力Ff。吸力只是起了产生摩擦所必须的侧向正压力Fn 的作用（图1）。

图1 爬墙汽车受力分析

设吸盘的平均负压为△p，即环境气压 p0 与吸盘内气压 p 之差。如吸盘区的面积为S，产生的吸力为Fa = △pS。根据库伦定律，摩擦力 Ff 受车轮与墙壁的静摩擦因数 m 的限制，即Ff < mFa。要使摩擦力能平衡质量为 m 的小车，令Ff = mg，负压△p 必须满足△p > mg/(mS)。如m = 0.4，m = 54 g，S = 16 cm2，算出负压的最小值约为820N/m2，约合0.810 6 kPa。用拉力计勾住被墙壁吸附的小车进行实测，测出的最大摩擦力为1.72 N (增加纸质密封条后增大为1.82 N)，远远超过小车的重量0.53 N。汽车内的实际负压值约为3.04 kPa，远大于最小允许值。

若小车在天花板上爬行，就不需要摩擦力参与平衡。小车的重力被垂直向上的吸力直接平衡。 需满足的平衡条件为Fa > mg，即△p > mg=S。要求负压的最小值约为330 N /m2。 与爬墙情形比较，对负压的要求明显降低。可见小车在天花板上倒立行驶看起来十分惊险，实际上却比爬墙更容易实现。

（胡漫根据相关资料摘编）