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中学生微课论文荟萃:从磁出发,发散思考,创造设计一

时间:2023-08-14 理论教育 版权反馈
【摘要】:综上所述,三个力都由安培力充当,那么仅需施加一个安培力,使其等同于汽车行驶所需要的三个力的合力即可。这里可以利用直流电机的知识。直流电机的原理不再赘述,提供的是动力,此时再向线圈的另一个垂直方向加上一个磁场,使其与线圈本身形成的磁场达成同性相斥,借此能够把车体托起来。电磁学如此深奥,有没有别的设计方法?

中学生微课论文荟萃:从磁出发,发散思考,创造设计一

中学物理虽然只是简单、普遍的一些内容,但通过将尖端科技简单化,会发现大部分科技产品的根本原理用高中物理知识都是能够理解的。因此我们认为,虽然大多数科技产品电磁的装置都复杂到让人眼花缭乱,但是只要我们找到了其根本的设计原理,也就不难理解了。而且,只要我们找到了一种设计思路,“现有技术能不能实现球形轮胎汽车的制造”的疑问就能够被解答。

球形是个非常特殊的形状,由于这种轮胎滚动方向没有车轴限制,于是就增加了很多困难。第一大难点就是:如何使汽车能够向任意方向行驶。我们知道,汽车行驶需要动力、制动力和转向力。在电磁驱动系统中,动力通过电流在磁场中受到的安培力得到;制动力通过反向施加动力得到;汽车的转向,其原理就是给转向轮施加与行驶方向成角度的力使车辆改变原有行驶方向,不过因为球形轮胎无法用传统悬架去连接,不能使用机械式转向系统,因此转向力也得通过安培力得到。综上所述,三个力都由安培力充当,那么仅需施加一个安培力,使其等同于汽车行驶所需要的三个力的合力即可。三个力的合力在不断变化,因此安培力也要不断变化,一个球形轮胎需要得到的就是一个能够四面八方随时变化的安培力作为动力。第二大难点包括:如何形成动力并把动力施加到车轮上,如何支撑起车辆。

最容易想到的方法是利用电和磁的知识,因为这样就不需要机械部件去连接车轮,球形设计的自由度得到充分发挥。这里所有的磁场都由电流形成(损耗和地磁场等干扰因素排除在外)。这里可以利用直流电机的知识。直流电机的原理不再赘述,提供的是动力(安培力充当),此时再向线圈的另一个垂直方向加上一个磁场,使其与线圈本身形成的磁场达成同性相斥,借此能够把车体托起来(如电磁驱动球形轮胎原理图1)。

图1 电磁驱动球形轮胎原理图1

这里会有一个问题,就是单个线圈只能使车实现前进和后退,且当线圈转动时,托住车体的排斥力也会随之消失,于是车体会垮下来。因此需要将整个球体均匀分布上环形导体(如电磁驱动球形轮胎原理图2),由电脑控制使各导体在运动时不断协作,使动力和托起车体的排斥力不间断,就能达成“既能托起车体,又能输出动力”的功能要求。

图2 电磁驱动球形轮胎原理图2(经图1旋转365度得出)

本套电磁系统的优点在于:

1.球形轮胎,具有横行、原地旋转的功能。(www.xing528.com)

2.组合悬架和动力装置,并且不使用机械传动方法,从而避免了部件间磨损造成的损耗。

但是缺点也很明显:

1.轮胎不和车体直接连接,因此没有直接连接车轮的供电装置,需要无线供电技术。

2.部分电能转化成线圈内能被损耗。对于这个问题,可以通过使用一些磁悬浮上的超导材料或者类似材料制作使损耗降到最低,效能达到最大。当然,这也就意味着要成功制造这一套系统的成本会非常高(成本不是本文讨论的主要因素)。

3.部分装置和导体装在车轮内部,造成检修和车轮维护不便。

电磁学如此深奥,有没有别的设计方法? ——有的。

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