毛刷清扫车运动方式的研究报告

五(2)班 尤明康

研究目的

春节快到了，我帮姥姥打扫卫生时，发现沙发下面和床底下很不好清扫，于是我想设计一个能自动清扫角落的机器，帮助姥姥轻松地打扫卫生。

我想起在牛顿科学实验课上制作过的毛刷车，它运用牛顿第三定律的原理，可以实现不用车轮就在地面上行走。于是我买了四个毛刷，用平时做实验的电机、导线和电池盒，组装成了毛刷清扫车，可是我发现它总是在原地打转，如何改变它的运动方式，使它能按照我的要求前进呢，我做了几组实验，通过实验，对它的安装进行调整后，毛刷清扫车可以实现帮助清扫角落的目的。

研究计划

实验材料

(1) 测量工具：秒表、直尺、天平、照相机。

(2) 制作工具：剪刀、裁纸刀、钳子、胶带、螺丝刀、双面胶。

(3) 实验材料：毛刷、电机、电池盒、导线、棉棒、夹子、螺丝、泡沫、5号电池和9V电池、塑料托盘，棉布。

实验内容

(1)安装后观察毛刷的运动。

(2)电机轴上安装不同的尾翼对毛刷车运动的影响。

(3)单个电机安装在不同位置对毛刷车运动的影响。

(4)安装两个电机对毛刷车运动的影响。

(5)不同刷子长度对毛刷车运动的影响。

(6)修剪刷毛对毛刷车运动的影响。

(7)在对毛刷车的运动方式有了了解以后，制作遥控毛刷车，使它可以在人员的操纵下完成清扫工作。

(8)优化毛刷车的设计，为它安装显示灯，增加擦地毛刷。

实验过程

(1)将电机和电池盒用双面胶安装在毛刷背面，毛刷朝地，打开开关，发现毛刷车微微地振动。因为电机的转动，产生振动，使毛刷车振动，但不会产生移动。

(2)在电机轴上安装不同的尾翼：棉棒、泡沫或小夹子。当电机转动时，带动尾翼转动，使小车绕着一个圆心旋转起来。尾翼重量越重，产生的振动力越大，小车移动速度越快。所以尾翼加重可以加快毛刷车的速度，但不能改变它的运动方式。

(3)试着调整电池盒和电机的位置，这样做是想改变毛刷车的重心，我发现当电机和电池盒在不同的位置时，毛刷车的运动轨迹会发生变化，围绕的圆圈半径也不同，有时可以改变运动方式，直线行走。

(4)安装2个马达的毛刷车，毛刷车会像螃蟹一样的侧行，斜行，有时可以直行。

(5)不同长度的毛刷对运动的影响，刷毛越短，转的圈越小。

(6)修剪刷毛。刷毛的排列方式，影响了毛刷运动的速度和转圈的半径大小，但是不能改变毛刷车的运动方式。

研究结论

(1)毛刷安装上电机，通电后电机转动，振动力使毛刷振动，但不能移动。

(2)电机轴上安装尾翼后，尾翼的转动带动刷毛变形，产生反作用力移动。当尾翼越重时，反作用力越大，毛刷车的运动速度越快。

(3)调整电机和马达的位置，可以改变毛刷车的重心，改变运动方式。在合适的位置，毛刷车可以直线行走。

(4)安装两个马达的毛刷车，运动方式改为斜向或横向行走。

(5)不同长度的毛刷会影响毛刷车的运动半径，刷毛越短，转的圈越小。

(6)修剪刷毛并不能改变毛刷的运动方式，它还是绕圆圈移动，但是如果刷毛排列规则，运动的速度会越快。

总 结

在毛刷车清扫地面时，首先需要它绕圆圈运动，这是最容易实现的，只要安装好电机、电池和尾翼就可以。如果想改变速度，可以改变尾翼的重量。当毛刷车清扫干净一部分后，还需要它前进和后退，这样可以靠调整电机位置和双马达驱动来实现。还可以选择好刷毛的长度，让它实现局部清扫干净的作用。

驱动装置

刚刚参加了海模比赛，我决定将海模上的遥控系统安装在毛刷车上，使它可以在我的控制下行走。两个毛刷安装的底盘下，双马达电池盒，对称安装在毛刷车身上，当我开启遥控器，毛刷车可以在我的指挥下行走，完成扫地工作。

优化设计

为了把地擦得更干净，我又在遥控毛刷车的后端加上了裹上布的毛刷，不过这大大影响了毛刷车的行走速度。为毛刷车安装上了绿色LED灯，当它钻到角落里，我也可以看到灯光。

设计原理

这次对毛刷车的研究使我学会运用牛顿第三定律、作用力和反作用力的关系。毛刷车的运动方式是当电机启动，车子尾翼相当一个偏心轮，它的振动使刷子的刷毛产生形变，形变后的恢复力作用在地面，地面的反作用力又作用于刷子，毛刷就可以运动了。而不同的尾翼、电机马达的排列方式、刷毛的长短和排列会影响毛刷车的运动方式。了解了它的运动方式，可以有助于对毛刷清扫车的设计。

当我掌握了毛刷车的行走规则后，我运用毛刷车转圈行走的方式来完成对地面一步步的清扫，通过遥控控制它的行进路线，使它可以到我不能进入的角落进行清扫。有了毛刷清扫车，姥姥也可以用它清扫地板，不用再弯腰费力地打扫。

未来展望

虽然现在已经发明了清扫机器人，但是它的价格很昂贵，而我设计的毛刷清扫车只利用小小的毛刷就可以把地板打扫干净，我还要进一步完善设计，为毛刷车安装上感应装置和定时系统，使它能实现独立操作，节省人们清扫房间的时间。

点评

尤明康同学的选题从一个孩子敬爱长辈这一视角被挖掘出来，选题来源本身就充满了浓浓的关怀。研究过程完整、严谨，语言朴实，毫无矫饰，研究方法多种多样，值得称赞的是尤明康同学对整个设计有完整的记录与分析，作为一名小学生难能可贵。

本课题获得2012年“小小诺贝尔奖”金奖、2013年北京市科技创新大赛一等奖。