生活中的初中物理（19）——说说吸盘

《现代汉语词典》中对吸盘的解释是:①一些动物用器官将身体附着在其他物体上，形状像圆盘，中间呈凹形。鱿鱼、水蛭等都有这个器官。(2)盘形装置，用于在提升和装载操作期间通过电磁抽吸或真空抽吸来获取物体。

为什么吸盘能吸附物体或将一个物体附着在另一个物体上？

magdeburger halbkugeln

让我们把时钟拨回到1654年5月8日。这一天，德国马格德堡市长、气泵的发明者、物理学家、工程师和哲学家奥托·格里克做了一个惊人的实验。他紧紧地封闭了直径约1.2英尺(包括30多厘米)的两个铜制中空半球，用气泵将球内的空气抽出，然后用16匹马将两个半球向相反方向拉。结果，16匹马煞费苦心地拉开铜质中空半球，发出了类似“射击”的声音。然而，如果两个半球上的阀门打开，空气将通过阀门流入球体，用一只手打开。这是著名的马德堡半球实验。为了纪念格利克的家乡，人们把两个铜空心半球称为“马德堡半球”。马德堡半球实验不仅证明了大气压力的存在，而且表明大气压力非常大。

此前，托里切利和他的同伴测量了大气压力。大气压不是恒定的。为了便于解释和比较，人们通常称760毫米汞柱产生的压力为标准大气压，即1.013×105帕的大气压。根据格里克的计算，当两个半球紧密结合并且球被抽空时，需要大约1.3×104牛顿才能将两个半球拉开。难怪16匹强壮的马被用来把他们分成两个队，而且两个半球被全力拉开。

到目前为止，在提升和装载操作中使用真空抽吸来拾取物体的原理已经非常清楚。实际上，马德堡半球在实际生产中的应用取决于大气压力。国外一些人已经使用这种真空起重机来提升30吨预制混凝土板。

在实际生产中，吸盘需要用气泵将洗碗碟中的空气抽出来形成真空。在不使用气泵的情况下，可以降低某一区域的气压吗？人们制造胶水吸盘。最典型的是固定挂钩的橡胶吸盘。为什么胶水吸管能把钩子固定在墙上？

用吸胶杯固定物体的原理

橡胶吸盘由橡胶制成，形状为圆盘状，中间有一点凹陷，充满弹性。它与一个塑料挂钩连接形成一个吸盘挂钩。也称为真空吸盘式挂钩。

当我们想把挂钩固定在墙上时，不平整的地方应该用砂纸打磨，油性的地方应该用抹布擦拭。然后把吸盘紧紧地压在墙上，用力压吸盘，松开你的手，牢牢地吸在墙上，一个小钩子可以挂一件外套！

当我们用力按压附着在墙上的粘性吸盘时，吸盘会发生弹性变形，里面的一些空气被挤出来。松开手后，吸盘在弹力的作用下会恢复到原来的形状。由于吸盘与墙壁紧密贴合，吸盘外的空气不能进入胶水吸盘，吸盘内的空气被挤出。吸盘内的气压变得比圆盘外的气压小。在圆盘内部和圆盘外部的压力差的作用下，胶水吸盘产生挤压吸盘的力，将钩子紧紧地压在墙上。

当挂钩由于吸盘的挤压而固定在墙壁上后，物体可以被悬挂。当钩子钩住物体时，它会有向下滑动的趋势。此时，粘性吸盘受到壁施加在其上的静摩擦力。该静摩擦力的方向是垂直向上的，其大小总是等于吊钩上垂直向下的拉力，拉力的大小等于悬挂物品的重力大小。拉力和静摩擦力是一对平衡力，使吸胶器固定在墙上。在垂直于墙壁的方向上，它所受到的压力和墙壁的支撑力也是一对平衡力，对钩子的垂直状态没有影响，因此它可以诚实地固定在墙壁上。

吸胶器用途广泛，它不仅可以把挂钩固定在墙上，还可以把它固定在门板、门框、桌腿等地方，给我们提供了很多方便。但是，它有一个明显的缺点，即它能承受有限的拉力，悬挂的物品不能太重。

根据以上分析，我们可以看出，由于大气压力的作用，粘性吸盘可以固定在墙壁上，吸盘上挂钩的重力是由墙壁对吸盘的静摩擦力决定的。因此，为了使吸盘上的钩子承受更大的张力，只能想办法增加吸盘上的压力。增加吸盘压力的方法不超过两种。一个是增加吸盘的面积，另一个是使吸盘内外的压差更大。如何做到这一点，让我们自己做点什么。

有些动物天生就有吸盘。除了《现代汉语词典》中提到的生活在水中的鱿鱼和水蛭，还有生活在陆地上的树蛙，它们经常在树上活动。

有一种有趣的鱼叫做吸盘，它通常附着在鲨鱼或其他大鱼、海鱼或有吸盘的船只的底部，这样这些大型动物或船只就可以带着它环游世界海洋。它被称为“最懒的海鱼”和“*旅行者”。捕完吸吮的鱼后，海里的人把绳子绑在它的尾柄上，把它放回海里，让它吸附在乌龟或大鱼身上，这样就“钓”到了乌龟和大鱼。感兴趣的读者可以找一些关于这个主题的生物学书籍。

然而，有一点需要注意的是，很多人认为壁虎可以爬过屋檐，在墙上行走，因为它的四只脚掌各有一个神奇的吸盘，具有很强的吸附能力。事实上，美国科学家已经发现壁虎鞋底的附着力取决于分子重力而不是大气压力。通过分子重力，一只2英寸的壁虎理论上可以毫不费力地举起400牛顿的重量，而它的鞋底只有几平方毫米大。

附:以下是我儿子对这篇文章的特别见解。

人们早就知道动物的吸盘，并使用自己的服务。下一个阶段是章鱼，你认为它是章鱼丸还是维克多？雨果(维克多·雨果，1802~1885)在《海上劳工》(实际上章鱼不吸血)中描述了吸血恶魔。章鱼的确有秘密武器——吸盘。它利用肌肉收缩时吸盘内的水，在吸盘内外形成压差，产生吸力。据说在上个世纪，一艘装载朝鲜珍贵瓷器的日本皇家船只在日本海沉没。虽然沉船的确切位置是已知的，但潜水员不能潜到那么深，只能转向章鱼。人们低声把章鱼放在海底，章鱼看着罐子躺下了。之后，人们拉起绳子，固执的章鱼吮吸着器具，于是贵重的瓷器一件一件地被拉了起来。现在摄像机转到了希腊的克里特岛，由于频繁装卸煤船，那里的海床上堆积了一层煤。聪明的渔民经常抓章鱼，绑一根长绳子，扔进海里，让章鱼去海底抓煤。然后用绳子把它拉上来，煤就会被抓住。章鱼吸盘有很强的吸附能力，有时甚至能吸附比自身重20倍的煤。

上述真空吸盘钩是否指章鱼吸盘的原理还不得而知，但仿生学已经发展成为一门流行科学。仿生学主要是了解自然有机体的结构和功能原理，然后模仿动物的特殊技能，发展新机械和新技术，或者解决机械技术的问题。

让我们来看看蜂巢，一个大自然中极其美丽精致的建筑。不仅如此，通过许多数学家的共同努力，最终证明了蜂巢是自然界中最有效、最经济的建筑代表，也就是说，我们看到的六角形横截面的蜂巢是由蜜蜂用最少量的蜂蜡建造的。这个证明问题的答案并不像想象的那么简单。如果你感兴趣，你可以详细检查一下。受第二个“最小原则”的启发，设计了“蜂窝夹层板”。蜂窝夹芯板是一种重量轻、刚性高、隔热性能好的复合材料，由蜂窝夹层和表面材料通过胶粘剂粘接而成。此外，该结构大大减少了螺杆的钻孔操作，经济性高。蜂窝夹芯板以其优异的力学性能和合理的结构，在航空航天和建筑领域得到了广泛的应用。到目前为止，对蜂窝的模仿还没有完成，美国甚至生产了一种“防爆型”蜂窝轮胎。在战场上，汽车最害怕路边炸弹和地雷。传统防爆轮胎不仅保护有限，而且价格昂贵。最后，人们想到了蜂窝结构，并将其巧妙地应用到汽车轮胎山上，不仅保持了一定的减震性能，而且最大限度地提高了车轮的强度。同时，它在噪音抑制和轮胎摩擦生热方面优于普通轮胎。更“吸引人”的是蜂窝轮胎不需要充气，可以立即安装和使用。

没有这个，通过模仿苍蝇的翅膀创造了一个振动陀螺仪导航器，通过模仿青蛙的眼睛创造了一个电子青蛙眼睛，通过模仿一条尾巴环的颊窝蛇创造了一个响尾蛇导弹，通过模仿野猪的鼻子创造了一个防毒面具。从这个角度来看，似乎其他动物比人类聪明得多，拥有各种各样的秘密武器。事实上，不难理解，在生物体的长期进化中，为了适应自然环境的变化，它们不断地调整自己，以达到最佳的生活条件——有些是最节省物质的，有些是感知外界时最敏感的。我认为这是一种智慧，是大自然的智慧，也是大自然给人类的最好的教科书。仿生学，一种看似“懒惰而方便”的方法，可能是理解自然的捷径。