爬墙蜘蛛人的力学原理分析

郑子君 陶裕梅

(重庆理工大学机械工程学院，重庆400054)

生活中常见的一些魔术道具、玩具常常蕴含着力学原理。蜘蛛人(又名爬墙超人)是一种价格低廉、制作简单、又深受广大儿童喜爱的玩具。如图1所示，该玩具由一块弹性好、表面有黏力的特殊软胶材料，穿过两块塑料外壳制成。手脚部分胶体暴露在外并呈球形，使之能够黏附在物体上。

在玩耍时，将该玩具抛向光洁的竖直玻璃面：刚开始蜘蛛人的四肢的软胶将会黏住玻璃面，使之不会掉下来；片刻后，蜘蛛人靠上方的两肢脱离玻璃面，整个玩具以下方两肢为轴旋转；脱离玻璃面的两肢再次接触到玻璃面后，又经过片刻，原来贴合玻璃面的两肢松开，开始以新的接触点为轴旋转；最终，玩具以类似翻跟头的方式不断从上往下运动，如图2所示。相关演示视频可于优酷网搜索“爬墙蜘蛛人玩具演示”。而如果将蜘蛛人抛向粗糙墙面，则玩具将紧紧贴住墙面，不会出现翻跟头的现象。

图1 蜘蛛人玩具实物照片

图2 蜘蛛人玩具的工作状态示意图

蜘蛛人玩具能完成翻跟斗过程，与肢稍胶球的两个重要的力学性质有关。一是胶球在压力作用下可发生较大的变形，撤去外力后，变形缓慢恢复，即表现为黏弹性[1]；二是胶球可以黏在固体面上，附着力既能阻碍其与固体分离又能阻碍变形恢复，大小与接触面积正相关(如图3(a)和图3(b)，胶球Q处的附着力可阻碍其回弹)。胶球及其界面的力学性能比较复杂[2]，这里根据前述力学性质，利用常见力学元件来对其进行定性描述：黏弹性胶球可抽象为由弹簧K和油壶C组成的开尔文系统；……