镍钛合金发动机的性能探究

徐 蕾，李可妤，钟 鸣

(南京师范大学 物理科学与技术学院，江苏 南京 210023)

将镍钛合金线圈套在2个大小不同且相距一定距离的滑轮上，把较小的滑轮浸入热水中，镍钛合金丝能够带动滑轮转起来，从而构成了简易的发动机[1]. 本文从理论出发分析这一发动机的工作原理，通过实验对理论进行验证，并通过实验探究相关参量对发动机性能的影响，并给出相应的解释.

1 模型建立与理论分析

1.1 实验装置

简易发动机装置如图1(a)所示，将滑轮嵌在亚克力板上并保持一定间距，用镍钛合金丝线圈套在2个滑轮上，构成简易的发动机. 发动机用铁架台固定，下方放置装有热水的烧杯，用保温材料包裹烧杯减小散热. 图1(b)是这一实验装置的简化示意图. 当热水达到一定温度时，施加微小的扰动(用手给滑轮非常小的角速度)后，发动机将持续转动.

通过对金属丝与滑轮的追踪分析，发现在稳定匀速转动状态下，金属丝与滑轮贴合，无相对位移，只有将半径较小的滑轮浸入热水中才能使得发动机转动.

1.2 原理分析

镍钛合金是形状记忆合金，加热后能消除其在低温时的变形，恢复其原始形状；在一定温度区间内，其弹性模量会随着温度增大而增大，且非常明显[2-5]. 因此，合金线圈浸入热水中的部分会变直，并有较大的弹性模量.

(a)实物照片 (b)示意图图1 实验主体装置与示意图

在图2(a)中，对发动机施加微小的扰动，假设此扰动使滑轮沿着逆时针方向转过微小角度，则一部分合金丝将进入热水中受热，其弹性模量变大，如图2(b)中黄色部分所示；……