会爬墙的汽车玩具

　　一只看似普通的遥控玩具汽车能爬上墙壁，沿着墙面前进、后退、转弯、打圈。甚至能贴着天花板倒立行驶而不坠地。这一奇异现象如非亲眼所见很难令人置信(图1)。

　　1.沿墙壁法线方向的气流吸力在地球引力场中，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。

　　2.对重力抗衡的力来自车轮与墙壁之间的摩擦力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F_f。吸力只是起了产生摩擦所必须的侧向正压力F_n的作用(图2)。

　　设吸盘的平均负压为Δp，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F_α=ΔpS。根据库伦定律，摩擦力F_f受车轮与墙壁的静摩擦因数μ的限制，即F_f＜μF_α。要使摩擦力能平衡质量为m的小车，令F_f=mg，负压Δp必须满足Δp＞mg/μS。如μ=0.4，m=54g，S=16cm²，算出负压的最小值约为320N/m²，约合0.008大气压。用拉力计勾住被墙壁吸附的小车进行实测(图3)。测出的最大摩擦力为1.72N(增加纸质密封条后增大为1.82N)，折算成工程单位制为175gf，远远超过小车的重量54gf。汽车内的实际负压值约为0.03大气压，远大于最小允许值。

　　3.小车吸附在天花板上行驶，情况就完全不同

　　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F_α＞mg，即Δp＞mg/S。要求负压的最小值约为330N/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。

　　爬墙汽车玩具虽小，却是一种现代科技产物，即真空吸盘式爬壁机器人的缩微模型。爬壁机器人的力学原理与爬墙汽车玩具完全相同，只是承载的重量大得多，要产生的负压和制造负压的电机功率也都要大得多。利用软导线可以直接从地面输入电源，代替玩具汽车的充电锂电池板。利用爬壁机器人担负清洗玻璃幕墙等高层建筑保洁工作或擦拭天花板工作，可以降低保洁成本，改善工人的劳动条件，有着广阔的应用前景(图4)。

图1 爬墙汽车玩具

图2 爬墙汽车受力分析

图3 实测摩擦力

图4 爬壁机器人