本文转自：现代金报 用一瓶水和皮筋作动力来源制造一辆自动往返的小车 小学生“造车记” 比赛现场。 “预备，放手！”随着一声令下，一辆小车缓缓启动，载着9瓶矿泉水驶向6米外的终点。令人惊叹的是，它越过终点后并未停下，而是自动调转方向，沿原路平稳返回起点。这一幕发生在鄞州区第14届青少年科技节回力小车比赛现场。 参赛学生仅用组委会提供的光盘、棉线、皮筋和一瓶330克矿泉水，再搭配自备材料，便制作出能自主往返的“智能”小车。他们在重力、弹力与摩擦力的精妙配合中，将物理知识转化为生动实践，玩出了力学新高度。 栏目主持人 记者 钟婷婷 特邀科普老师 王臻杰、沈敏 宁波市李惠利小学科学老师 A 原理解锁： 小车自主往返的“力学密码” “谁能用一瓶330克的水和一根皮筋作为动力来源，制作一辆小车并让它跑到6米外的终点后还能自己返回起点？”面对比赛规则提出的挑战，各参赛小组的同学们陷入沉思。 要让小车完成“前进—换向—返回”的全过程，这背后涉及弹力、重力与摩擦力三者之间的精妙博弈。 最终，宁波市李惠利小学曾昱阁和吴鑫贝两位同学组成的参赛团队，凭借对力学原理的深刻理解和巧妙应用，成功攻克了这一难题，夺得该项目冠军。 他们的设计思路，成为了本次比赛的经典案例。 小车前进的动力来自皮筋的弹性势能。团队将皮筋通过棉线缠绕在驱动轮外圈轮毂上，另一端连接330克矿泉水瓶。比赛前缠绕拉紧皮筋，储存弹性势能；开始后松开，皮筋收缩产生回复力，带动驱动轮转动，推动小车前进。“就像上紧发条的玩具车。”指导老师王臻杰解释，“启动时，皮筋提供的力需克服最大静摩擦力，才能让小车动起来。” 能否自动返回，是区分普通小车与“智能”小车的关键。 该团队的秘诀在于“双绕线盘+卡口转换”装置。他们在驱动轮轮毂上设计了两个并列的绕线槽，中间设有一个卡口。外圈槽用于缠绕连接皮筋的细线，负责前进动力；内圈槽则反向缠绕细线，连接矿泉水瓶，为返回提供动力。 比赛开始后，皮筋收缩释放外圈细线，驱动轮顺时针旋转，小车前进。当行驶至6米开外的终点时，外圈线恰好放完。此时，细线通过“卡口”自动切换至内圈槽，在矿泉水重力作用下，内圈线开始释放，带动驱动轮逆时针旋转，小车便自动返回。 “这简直是牛顿定律的舞台剧。”学校创新思维指导老师沈敏说，“前进是弹性势能转化为动能，返回是重力势能转化为动能，完美诠释了能量转换。” B 挑战升级：如何运输更多矿泉水？ 完成基本往返后，比赛进入“附加分”环节——每多运一瓶550克矿泉水并完成全程，加10分，上不封顶。这极大提升了难度和观赏性，也考验着小车的动力、结构与稳定性。 李惠利小学团队没有满足于现状，而是向更高的负载发起挑战。首要问题是如何在仅用一根皮筋的限制下，提升驱动力。 挖掘潜力：皮筋动力从何而来？ 规则限定只能使用一根皮筋，如何最大化其效能？团队通过实验总结出两个关键方法： 一是对皮筋“预处理”。新皮筋弹性不稳定，他们通过适度“热身”——预拉伸，使其性能更稳定，动力输出更均匀。同时严格控制拉伸程度，避免超过弹性极限导致性能下降。 二是优化缠绕方式与传动比。传动比影响扭矩输出，而绕线槽直径和缠绕匝数直接影响传动比。他们发现：在弹性限度内，绕线槽越小、缠绕匝数越多，初始扭矩越大，越利于启动重载。 经过数十次测试，他们最终确定了最佳参数，在保证足够动力的同时，确保小车能顺利完成6米往返。 结构强化：哪种材料更合适？ 承载更多的矿泉水，意味着小车需要承受更大的压力，这对车身结构的坚固性和行驶的稳定性提出了极高的要求。如果车身结构脆弱，在重压下容易变形；如果重心不稳，小车在启动或行驶过程中就可能出现侧倾、打滑等问题，导致比赛失败。 为提升小车的结构强度和稳定性，李惠利小学团队从车架加固和重心布置两个方面进行了优化：在车架加固上，团队最初采用普通的薄木板制作车架，但承载多瓶矿泉水时，薄木板易弯曲变形，甚至断裂。为解决这一问题，他们将车架材质换成了承重性更强的复合板。同时，在车架的连接立杆部分，采用了三角结构进行加固，既能分散压力，又能防止立杆在行驶过程中摇晃。在重心布置方面，团队发现，当矿泉水放置位置过高或过于偏向车身一侧时，小车的重心会偏移，启动时容易出现侧倾，行驶过程中也难以保持直线。为优化重心，他们将附加的矿泉水瓶尽量放置在车体较低且靠近驱动轴的位置。较低的放置位置能降低小车的整体重心，重心越低，物体的稳定性越好。 C 减小摩擦：滚珠轴承的妙用 摩擦力是小车前进的主要阻碍，尤其是车轴与车架轴套之间的滑动摩擦力，在小车承载重量增加后，这一摩擦力会变得更加明显。如果不能有效减小摩擦力，即使有更强的驱动力，也会被大量消耗，导致小车无法顺利行驶。 李惠利小学团队在解决摩擦力问题时，经历了多次尝试和改进。他们首先尝试在轴孔中涂抹润滑油，希望通过减少接触面的摩擦系数来减小摩擦力。涂抹润滑油后，小车的滑行距离有所增加，启动也变得稍微容易一些，但效果有限，无法让小车承载更多矿泉水顺利抵达终点。 显然，这种方法只能在一定程度上缓解问题，不能从根本上解决滑动摩擦带来的大阻力。 就在团队陷入困境时，一次偶然机会，他们看到自行车的车轮和滑轮的转动结构，从中获得了灵感。自行车车轮的轴和滑轮中都安装了滚珠轴承，通过滚珠的滚动来代替零件之间的滑动，从而大大减小摩擦力。 有了这个想法后，团队开始尝试在小车的轴孔位置安装小型滚珠轴承，将其固定在车架的轴孔处，然后将车轴穿过滚珠轴承的内圈。这样一来，车轴转动时滑动摩擦变成了滚动摩擦，大幅降低了摩擦力的影响。通过安装滚珠轴承，团队成功解决了摩擦力过大的问题，确保了小车能依靠皮筋的弹性势能和矿泉水的重力势能，高效转化为前进和返回的动能，为小车运输多瓶矿泉水完成6米去程和返程奠定了坚实的基础。 在比赛现场，当他们制作的小车成功载着9瓶额外的矿泉水，平稳地驶完全程并自动返回起点时，现场爆发出阵阵热烈的掌声。这9瓶矿泉水为他们赢得了90分附加分。 ■从游戏到工程 藏在回力小车中的大智慧 这场看似简单的回力小车比赛，实则是一堂浓缩的工程实践课。 从最初理解弹力、重力、摩擦力的基本概念，到想办法减小摩擦、优化动力、控制运动轨迹，再到挑战更高负载，选手们经历了一个完整的“发现问题—分析问题—解决问题”的工程实践闭环过程。在这个过程中，他们不仅将课本上的理论知识转化为实际应用，还培养了创新思维、动手能力和团队协作能力。 当小车载着9瓶水稳稳停回起点，选手们收获的不仅是分数，更是一次深刻的科学启蒙。他们在失败中调整，在试错中创新，最终让一辆小车完成了“不可能的任务”。 |
