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1、风动逆风行驶小车的实验3王立新,唐海亮,姚薇薇(大连轻工业学院,辽宁大连116034)摘要:提出以风作动力逆风行驶小车的实验模型及模型小车逆风行驶的条件。通过计算和反复试验,验证了小车逆风行驶功能实现的初步方案。关键词:实验;小车;逆风文章编号:1007-4414(2005)03-0043-02中图分类号:U270.3文献标识码:B验证风力所产生的前进力能否克服其他所有阻力从而能使小车前进。将风力产生的动力设为F,其他阻力分别为小车迎风面所受阻力F1,小车内部摩擦力F2,风扇叶轮所受阻力F3以及小车与地面的摩擦力F4。则需要验证的公式为F≥F1+F2+F3+F4。(1)有实验测量知小车的最大
2、负载量为74.18g。小车与实验台的摩擦系数为0.4。则小车动力为F≥(74.18+60.1实验的提出随着世界经济的不断发展,石油、煤炭、天然气等能源被大量使用。一方面,这些能源对促进世界经济起到了巨大的作用,另一方面,由于自身的燃烧不足,它们产生了大量的废气,如一氧化碳、二氧化碳等。这些废气严重污染了地球大气,促使了诸如温室效应、厄尔尼诺现象的产生,把人类的生活推向了污染的世界。为了使这一情况有所缓和,我们设想制作了风动逆风行驶小车这样一个交通工具模型。众所周知,风能自古以来就是人们最常用的廉价能源之一。在海上,帆船就是靠风力推动行驶的。然而,利用风能运动的交通工具全是靠顺风的风力来推动的
3、。那么,能不能反其道而为之,利用风的能量使车逆风行驶呢?经过反复试验,我们终于制造成功了这样一部风动逆风行驶小车的模型,在采取一定措施之后,这个模型可以在一定风力作用下逆风行驶,而且可以承载一部分重量。2实验的计算[1]当车逆风行驶时,风扇在风力推动下转动,将风能转化为机械能。在传动装置的作用下,风扇的转动传到车轮轴上,带动车轮,使车可以逆风行走。再加上其他一些辅助机构,就可以完成这样一部逆风行驶的车。小车重60.82g,可载重74.18g的重物。逆风自动行驶车的原理如图1所示。-382)×10×0.4×9.8=0.5292N。3(2)流量Q=ωAm/s2式中:A为整条气流的横截面积,m;ω
4、为横截面积上的平均速度,简称流速,m/s,所以ω=Q/A。3转速为840r/min时,流量为Q1=60m/min;转速为11203r/min时,流量为Q2=60/840×1120=80m/min;转速为16003r/min时,流量为Q3=60/840×1600=114m/min。A=πR2=π×0.42=0.5m2114当Q=114m3/min时,ω=Q/A==3.8m/s0.5×60①当小车运动时P=0.5ρv2相对多次测得υ小车=0.0198m/s;υ相对=3.8+0.0198=3.8198m/s;ρ为空气的密度,取1.293kg/m3。P=1/2×1.293×3.81982=9.43P
5、a②小车的迎风面面积A1A1=车板截面+支架截面+轮子迎风面+皮带轮面积+轴面=78×1.48+2×35×1.48+2×1.5×1.48+2×4.5×28+22×4+70×2.5=738.18mm2=0.73818×10-3m2③迎风面受风阻力F1=PA1=0.00696N(3)小车内部的摩擦力F2=轴套所承受的压力×μ1,查表取μ1=0.02。压力=动力轴重力+风扇重力+皮带轮+2预紧力由于皮带很松,所产生的预紧力非常小,所以2预紧力1项可以忽略。所以压力=9.18×10-3×9.8=0.08997N故F2=0.08997×0.02=0.00018N图1逆风自动行驶车的原理图1.叶片2.轴
6、Ⅰ3.轴套4.带轮Ⅰ5.支架6.皮带7.轴Ⅱ8.带轮Ⅱ9.轴Ⅲ10.车体(4)风扇所受阻力F=PA322P由①中已计算得9.43Pa,A2由测量得A2=0.0018m,故F3=PA2=0.01697N。(5)与地面的摩擦力F=小车自重×μ2,查表取μ2=0.4,测量可得小车自重为60.82g。右这样就做到了减少迎风面,增大动力迎风面,最后得到很大的动力。不但实现了迎风前进,而且还能载重,并且载重是小车质量的1倍多。4结束语自然,这样1部车仅仅是靠风力推动而行驶的,对于没有风的天气或地区,则很难实现它的运动。另外,小车只能在直线方向行驶,无法拐弯。在风向非迎面吹的时候,小车不容易实现前进。为此
7、,我们准备在这一基础上加以改进,使它的功能趋向完善。-3F4=9.8×60.82×0.4×10=0.2384N(6)由上式可得F=0.292N≥F1+F2+F3+F4=0.262N假设成立,即逆风行走且以风为动力在理论上是存在的。3实验结果我们研制的小车关键是叶片,因为小车所得到的动能来自叶片。我们设计叶片的理论依据是尽量减少阻力增大动力,在试制过程中我们使用了大量不同种类的叶片,如玩具飞机上的叶片、计算机降
