古 迪 周青云 黃楚仲 鐘婷婷 吳紅梅 張周糧 朱偉玲

(廣東石油化工學(xué)院理學(xué)院 廣東 茂名 525000)

1 引言

傳統(tǒng)的汽車和列車依靠車輪在地面或鐵軌上滾動(dòng)而快速前進(jìn)，當(dāng)汽車和列車高速行駛時(shí)，車輪與地面或軌道存在較大的摩擦阻力，因而將難以獲得人們期望的高速度.為克服傳統(tǒng)列車運(yùn)行過程中所受摩擦阻力的問題，科學(xué)家探索了將列車與軌道脫離接觸的技術(shù)——磁懸浮技術(shù)[1～3].磁懸浮列車?yán)秒姶朋w“同性相斥”原理，改變了傳統(tǒng)軌道車輛靠輪軌摩擦力推進(jìn)的方式，采用電磁力懸浮車體、直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)，使其在高速行駛時(shí)以不到幾厘米的間隙懸浮在單軌導(dǎo)向路上，從而實(shí)現(xiàn)無接觸的高速運(yùn)行.這是對人類地面交通技術(shù)史上的一次重大突破，被譽(yù)為21世紀(jì)一種理想的交通工具[2,4,5].磁懸浮列車的突出優(yōu)點(diǎn)是速度快、可達(dá)500 km/h、噪音小及安靜舒適等優(yōu)點(diǎn)[6～8].在物理課程和實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)中，由于磁懸浮列車模型較復(fù)雜且昂貴，所以較難在課堂上通過磁懸浮列車模型展示磁懸浮列車的技術(shù).本實(shí)驗(yàn)中，設(shè)計(jì)并制備了一種平穩(wěn)可控的磁懸浮演示小車，該演示小車通過磁力克服重力使小車處于一個(gè)無摩擦、無接觸懸浮的平衡狀態(tài)，且小車車身自帶驅(qū)動(dòng)電源和電路控制系統(tǒng)，可使小車在直道、彎道、上坡、下坡等場景中平穩(wěn)地加速、減速或反方向行駛，可作為一款有效的教學(xué)或科普展示用磁懸浮演示小車.

2 磁懸浮演示小車的制備

本實(shí)驗(yàn)對磁懸浮演示小車各類型的懸浮系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)、導(dǎo)向系統(tǒng)進(jìn)行了制備，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)的最佳效果，最終制備平穩(wěn)可控梯形的磁懸浮演示小車,如圖1所示.

圖1 平穩(wěn)可控梯形磁懸浮演示小車示意圖

平穩(wěn)可控梯形的磁懸浮演示小車?yán)谩巴韵喑猓愋韵辔钡脑?，讓磁鐵具有抗拒地心引力的能力，使車體完全脫離軌道，懸浮距離軌道約0.5 cm處，騰空行駛.軌道側(cè)向密封護(hù)欄能減少外界對系統(tǒng)的干擾；小車車身設(shè)置了側(cè)向輔助輪子，減少了小車轉(zhuǎn)彎時(shí)的摩擦力，提高了小車轉(zhuǎn)彎時(shí)的穩(wěn)定性；小車上的小風(fēng)扇給小車提供動(dòng)力，使小車水平滑行以及爬坡滑行.

2.1 不同形狀小車穩(wěn)定性的比較

如圖2(a)所示，實(shí)驗(yàn)最初制作的是矩形的懸浮小車，矩形小車長6 cm，寬度3 cm.車體內(nèi)部，裝有8顆長1.1 cm,寬0.5 cm，厚0.5 cm的磁鐵(以下用①號磁鐵表示)，左右對稱排布，小車的磁鐵與軌道的磁鐵正對的面極性相同，小車受到互相排斥的力而懸浮.在實(shí)驗(yàn)過程中，矩形的小車懸浮高度較高，而且穩(wěn)定性較差，可能的原因是：小車懸浮高度較高，受到軌道強(qiáng)排斥力造成小車重心不穩(wěn)；小車磁鐵的側(cè)面容易被軌道磁鐵的側(cè)面吸引，導(dǎo)致小車容易側(cè)翻.

如圖2(b)所示，梯形小車兩側(cè)面下方按同一極性斜向下各粘貼4顆長2 cm，寬0.9 cm，厚0.2 cm的磁鐵(以下用②號磁鐵表示)，兩側(cè)面的磁鐵磁性相同與軌道粘貼的①號磁鐵的側(cè)面相互排斥，進(jìn)而懸浮起來.經(jīng)過多次的實(shí)驗(yàn)和理論分析，梯形的車身較矩形小車更為穩(wěn)定.首先梯形的小車重心會(huì)比矩形小車低，其次梯形小車的磁鐵的側(cè)面不易被軌道磁鐵的側(cè)面影響.在懸浮效果較好的情況下，進(jìn)一步裝上驅(qū)動(dòng)動(dòng)力，小車表現(xiàn)出不穩(wěn)，出現(xiàn)了矩形小車所顯現(xiàn)的問題.

如圖2(c)所示，進(jìn)一步對小車進(jìn)行穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)，在梯形下底面中間粘貼3顆②號磁鐵，磁鐵排布方式為“N-S-N”，其中兩顆②磁鐵與軌道①號磁鐵的內(nèi)側(cè)面相互排斥，增強(qiáng)小車的懸浮力，而另外一顆②磁鐵作用則與其他兩顆②磁鐵作用相反，與軌道①號磁鐵的內(nèi)側(cè)面相互吸引，使小車更平穩(wěn).且實(shí)驗(yàn)證實(shí)這個(gè)梯形小車的懸浮穩(wěn)定性更強(qiáng).

如圖2(d)所示，進(jìn)一步對小車車身設(shè)置了側(cè)向輔助輪子，提高了轉(zhuǎn)彎時(shí)候的穩(wěn)定性和減少了小車轉(zhuǎn)彎時(shí)的摩擦力.由于轉(zhuǎn)彎時(shí)候，演示小車產(chǎn)生了一定的向心力，容易往一邊傾斜，從而與擋板產(chǎn)生摩擦，行駛時(shí)不穩(wěn)定，所以增加側(cè)向輔助輪子，一方面，在小車發(fā)生傾斜時(shí)起到支撐作用，同時(shí)又會(huì)把與側(cè)向護(hù)欄之間的摩擦變?yōu)槟Σ亮^小的滾動(dòng)摩擦,提高了小車轉(zhuǎn)彎時(shí)的穩(wěn)定性.

圖2 小車車身改進(jìn)過程示意圖

2.2 不同傾斜程度軌道穩(wěn)定性的比較

在木板上，按磁鐵極性進(jìn)行排列粘貼，兩列磁鐵磁極向上的極性相同，小車兩側(cè)面的磁鐵與軌道磁鐵外側(cè)面同極相對，使小車實(shí)現(xiàn)懸浮.在制作過程中，嘗試兩種粘貼磁鐵方式制作軌道如圖3所示.圖3(a)是用①號磁鐵按一定的間隔粘貼且極性相同.圖3(b)是用②號磁鐵粘貼的傾斜式軌道，磁鐵與直板大約成45°角粘貼，兩列磁鐵側(cè)面極性相同.本實(shí)驗(yàn)的小車采取梯形的車身，兩側(cè)面各粘貼4顆②號磁鐵，兩側(cè)面的磁鐵磁性相同與軌道粘貼的磁鐵的側(cè)面相互排斥，進(jìn)而懸浮.在不斷實(shí)驗(yàn)和改進(jìn)過程中，圖3(a)的軌道比圖3(b)的軌道達(dá)到懸浮的效果更好，穩(wěn)定性更強(qiáng)，主要因?yàn)閳D3(b)的磁鐵側(cè)面極性與小車兩側(cè)面磁鐵極性相斥，兩個(gè)所成的角度相同，但卻在懸浮中表現(xiàn)極不穩(wěn)定.相比較下，圖3(a)的軌道表現(xiàn)出較大的優(yōu)越性，懸浮較為穩(wěn)定并且懸浮高度(0.5 cm)適合小車爬坡和轉(zhuǎn)彎.

圖3 水平式軌道和傾斜式軌道示意圖

2.3 演示小車推進(jìn)系統(tǒng)的制備

如圖4所示，本實(shí)驗(yàn)中，演示小車采用雙螺旋槳鼓風(fēng)機(jī)作為動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)，其中，兩個(gè)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源輸出電壓9 V,電機(jī)額定電壓是7 V.通過遙控系統(tǒng)控制裝有螺旋槳的電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而產(chǎn)生動(dòng)力.高速旋轉(zhuǎn)的螺旋槳能產(chǎn)生較強(qiáng)的氣流(風(fēng)力)，氣流向小車后方吹動(dòng)時(shí)，根據(jù)反作用力原理推動(dòng)小車整體向前進(jìn).此外，通過電路板控制小車.該電路板僅用于兩電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)磁懸浮演示小車的兩螺旋槳.前進(jìn)時(shí)兩電機(jī)同時(shí)正轉(zhuǎn)，后退時(shí)兩電機(jī)同時(shí)反轉(zhuǎn)，減速時(shí)一個(gè)電機(jī)正轉(zhuǎn).從而有效地實(shí)現(xiàn)演示小車前進(jìn)、后退、減速和停止的控制指令.

圖4 演示小車推進(jìn)系統(tǒng)示意圖

2.4 模擬現(xiàn)實(shí)場景的軌道

如圖5所示，設(shè)計(jì)了一條模擬現(xiàn)實(shí)場景的軌道，包括了模擬現(xiàn)實(shí)場景的直道、彎道、上坡、下坡等場景.在軌道中均鋪設(shè)了①號永久磁鐵，其中，永久磁鐵之間豎間隔0.6 cm，橫間隔3.6 cm.模擬現(xiàn)實(shí)場景的的軌道可分為3部分，第一部分是長直軌道，包括兩段長直軌道，第一段是小車起動(dòng)段(AB段)，為了小車平穩(wěn)運(yùn)行后爬坡和拐彎，第二段是小車停止段(EF段)；第二部分爬坡軌道(BCD段)，坡度最高高度2.0 cm，總弧長42 cm；第三部分拐彎軌道(DE段)，外半徑25 cm，內(nèi)半徑16 cm.軌道兩側(cè)均用合板圍起.經(jīng)過不斷改良小車，使小車重心降低，穩(wěn)定性提高.此外，可進(jìn)一步設(shè)計(jì)，采用更多的軌道，可模擬成首尾相接的閉環(huán)軌道，以便演示小車在閉環(huán)軌道內(nèi)持續(xù)循環(huán)地行駛.

圖5 模擬現(xiàn)實(shí)場景小車軌道

2.5 平穩(wěn)可控磁懸浮演示小車速度

本實(shí)驗(yàn)中，將磁懸浮演示小車放在軌道上模擬其在平直軌道時(shí)的速度，經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)測量通過直軌道所用的時(shí)間，并求出了其平均速度.如表1所示，磁懸浮演示小車通過長度為46.7 cm的直軌道所用的平均時(shí)間為0.974 s，其平均速度為47.9 cm/s，且多次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果均接近于平均值.而且實(shí)驗(yàn)過程中磁懸浮演示小車行駛平穩(wěn)可控.

表1 磁懸浮演示小車在平直軌道速度

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)制備了平穩(wěn)可控梯形磁懸浮演示小車.研究發(fā)現(xiàn)該小車車身為梯形時(shí)比車身為矩形時(shí)穩(wěn)定；梯形小車的永磁鐵粘貼于兩個(gè)側(cè)面和底部，側(cè)面的永磁鐵用于懸浮，而底部的永磁鐵有利于克服水平方向外力微擾的影響，維持運(yùn)行時(shí)水平方向的穩(wěn)定性；小車車身設(shè)置了側(cè)向輔助輪子，減少了小車轉(zhuǎn)彎時(shí)的摩擦力，提高了小車轉(zhuǎn)彎時(shí)的穩(wěn)定性.該演示小車能在模擬現(xiàn)實(shí)場景的直道、彎道、上坡、下坡等場景中平穩(wěn)可控地加速或減速行駛，其中該磁懸浮演示小車在平直軌道的平均速度達(dá)47.9 cm/s，可作為一款有效的教學(xué)或科普展示用磁懸浮演示小車，提高學(xué)生對磁懸浮技術(shù)的興趣.