王庆成，杨晓东，曹国华，徐洪吉

( 1.长春理工大学 机电工程学院，长春 130022；2. 吉林工程技术师范学院 机械工程学院，长春 130052；3. 长春工程学院 机电工程学院，长春 130021)

0 引言

水黾一种是生活在池塘等水域的昆虫，它高超的水面滑行技能和超大水面承载力引起了人们浓厚的兴趣，成为世界各国科技工作者争相研究的热点问题之一[1～3]。江雷等[4]认为水黾的超大承载力是由其腿部特殊微纳米结构导致的超疏水效应实现的，并测出水黾单条后腿的最大承载力是其体重15倍，接触角是167°。受水黾腿部超大承载力的启发，一些学者对超疏水表面的承载力进行了研究。张希等[5]对金丝表面进行化学修饰，当金丝表面的接触角为150°时直径为1mm金丝仍会漂浮在水面；潘钦敏等[6]用直径为20mm的超疏水圆形铜箔作为水黾模型腿部，发现承载力与铜箔的接触角等因素有关。

本文通过力学分析，建立仿水黾模型的承载力模型，并试验验证所建承载力模型的准确性。

1 承载力模型的构建及分析

1.1 承载力数学模型的构建

将仿水黾模型置于水面时，其腿部在水面压出水涡。仿水黾模型的腿部为圆柱体，其横截面受力情况如图1所示。

图1 仿水黾模型腿部力学分析示意图

图1中虚线MN代表水平面，A与B为仿水黾模型腿部与水面接触的边界点。仿水黾模型腿部在水面受到三个力作用，压力F、表面张力g和浮力Fb。浮力方向竖直向上，可通过对仿水黾模型腿部与水接触区域的静力学压力积分求出[7,8]，其等于图1中虚线所绘矩形ABCE的排水量，由于仿水黾模型腿部直径（0.45mm）较小，近似等于线段AB长度。……