共享單車(chē)設(shè)計(jì)和運(yùn)用中涉及的物理知識(shí)點(diǎn)

◎李龍翔 徐文博

共享單車(chē)設(shè)計(jì)和運(yùn)用中涉及的物理知識(shí)點(diǎn)

◎李龍翔1徐文博2

共享單車(chē)在國(guó)內(nèi)的出現(xiàn)是一個(gè)創(chuàng)新，是共享經(jīng)濟(jì)時(shí)代的重要代表，研究其經(jīng)濟(jì)現(xiàn)象比較常見(jiàn)。本文以物理知識(shí)為出發(fā)點(diǎn)，觀察不同公司共享單車(chē)的設(shè)計(jì)思路和結(jié)構(gòu)原理，總結(jié)共享單車(chē)蘊(yùn)含的物理知識(shí)點(diǎn)，一方面學(xué)會(huì)運(yùn)用物理知識(shí)觀察社會(huì)熱點(diǎn)問(wèn)題，另一方面也適度探究下共享單車(chē)在使用中因設(shè)計(jì)缺陷可能存在的安全隱患，并嘗試給出自己的建議。

共享單車(chē)的誕生可以說(shuō)是生逢其時(shí)，占盡了“天時(shí)地利人和”。一是國(guó)家倡導(dǎo)綠色出行之際，二是城市堵車(chē)嚴(yán)重到開(kāi)車(chē)沒(méi)有走得快，三是健康需求開(kāi)始萌芽，四是共享經(jīng)濟(jì)出現(xiàn)萌芽，四是通訊、網(wǎng)絡(luò)支付和遠(yuǎn)程控制技術(shù)已經(jīng)成熟。共享單車(chē)的出現(xiàn)時(shí)間不長(zhǎng)，但卻發(fā)展迅速，在短時(shí)間內(nèi)，雨后春筍般出現(xiàn)了多家注冊(cè)公司，數(shù)萬(wàn)輛單車(chē)被投放市場(chǎng)，服務(wù)范圍迅速席卷全國(guó)一線城市、二線城市、三線城市，甚至沿?？h級(jí)市和內(nèi)地的四線城市。

本文觀察了多家公司的共享單車(chē)，對(duì)其蘊(yùn)含的物理知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行了必要總結(jié)。

共享單車(chē)中蘊(yùn)含的物理知識(shí)點(diǎn)

共享單車(chē)蘊(yùn)含的物理知識(shí)點(diǎn)較多，包括簡(jiǎn)單的力學(xué)知識(shí)、光學(xué)知識(shí)、電磁學(xué)知識(shí)等，這些知識(shí)有的比較淺顯，有的比較前端。

共享單車(chē)整體車(chē)架受力情況。目前各大公司的共享單車(chē)整體結(jié)構(gòu)大致相同，基本上是一個(gè)V字型，上加一彎曲梁，負(fù)重通過(guò)車(chē)架傳導(dǎo)到車(chē)輪。靜止情況下的受力如圖1。

圖 1

圖 2

圖 3

共享單車(chē)前進(jìn)中的力學(xué)分析。我們?cè)谑褂霉蚕韱诬?chē)時(shí)，騎行者和單車(chē)的自重通過(guò)車(chē)輪對(duì)地面產(chǎn)生壓力，而車(chē)輪和地面間有摩擦力，兩者疊加產(chǎn)生向前的動(dòng)力。具體可以前輪和后輪分開(kāi)看。先看后輪，這是一個(gè)主動(dòng)輪，如圖2，騎行者和單車(chē)自重傳導(dǎo)過(guò)來(lái)的為M1，地面對(duì)車(chē)輪有一個(gè)M2 的力，當(dāng)后輪在騎行者蹬動(dòng)踏板帶動(dòng)下動(dòng)起來(lái)時(shí)，單車(chē)輪子最下的點(diǎn)和地面接觸，有一個(gè)向后的力，因?yàn)槟Σ亮Φ姆较蚺c物體相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)相反，這樣，就有一個(gè)推動(dòng)單車(chē)向前的滾動(dòng)摩擦力F3。而前輪作為從動(dòng)輪，受力如圖3，在后輪驅(qū)動(dòng)下，因?yàn)榈孛鎱⒄瘴锏拇嬖?，F(xiàn)1會(huì)推動(dòng)單車(chē)前進(jìn)，向后的滾動(dòng)摩擦力F3就成為影響車(chē)速的主要因素。

共享單車(chē)的摩擦力問(wèn)題。為防止共享單車(chē)在使用過(guò)程中過(guò)于光滑，盡可能減少不安全因素，其外胎往往有不少凸凹不平的紋路，這是要增加摩擦力的需要。我們知道，摩擦力的大小一般與兩個(gè)問(wèn)題有聯(lián)系，分別是承載的壓力大小和接觸面的粗糙程度。壓力越大，摩擦力越大；接觸面越粗糙，摩擦力越大。共享單車(chē)在單一使用過(guò)程中，承載的壓力是固定的，要增加摩擦力，就只能增加外胎的紋路粗糙程度，以此增大摩擦力，達(dá)到防止自行車(chē)打滑的目的。

為保證共享單車(chē)車(chē)身傳動(dòng)系統(tǒng)能有較小摩擦力，單車(chē)的前軸、中軸及后軸一般都會(huì)用滾珠軸承，加上潤(rùn)滑油后，能有效減少腳蹬部位的力向其他部位傳導(dǎo)過(guò)程中的摩擦力。

共享單車(chē)的動(dòng)力。共享單車(chē)屬于非機(jī)動(dòng)車(chē)，是靠人力驅(qū)動(dòng)的。當(dāng)使用者踩動(dòng)腳踏，腳踏會(huì)帶動(dòng)單車(chē)中部齒輪，中部齒輪再帶動(dòng)車(chē)鏈，車(chē)鏈再帶動(dòng)后齒輪，后齒輪帶動(dòng)車(chē)輪，后輪轉(zhuǎn)動(dòng)是，受摩擦力影響，單車(chē)會(huì)前進(jìn)。這個(gè)過(guò)程中，腳踏帶動(dòng)中齒輪，車(chē)鏈帶動(dòng)后齒輪，都在運(yùn)用杠桿原理，都是一個(gè)省力杠桿。

共享單車(chē)的杠桿原理的其他運(yùn)用。共享單車(chē)的轉(zhuǎn)向是由前輪控制的，而控制前輪的是單車(chē)車(chē)把，車(chē)把控制前輪這個(gè)工程，就是一個(gè)省力控制，共享單車(chē)使用者可以用很小的力就能轉(zhuǎn)動(dòng)自行車(chē)前輪，來(lái)控制自行車(chē)的運(yùn)動(dòng)方向和自行車(chē)的平衡。

共享單車(chē)的剎車(chē)過(guò)程也是一個(gè)杠桿，單車(chē)的剎車(chē)一般在車(chē)把上，有一個(gè)閘，用力握閘就能實(shí)現(xiàn)剎車(chē)目的。單車(chē)車(chē)把上的閘把就是省力杠桿，單車(chē)使用者可以用較小的力就能使車(chē)閘以較大的壓力壓到車(chē)輪的鋼圈上。

共享單車(chē)在剎車(chē)過(guò)程中的慣性問(wèn)題?？焖傩旭偟墓蚕韱诬?chē)，如果突然用前輪剎住，后輪可能有跳起現(xiàn)象。這是慣性的原因，因?yàn)榍拜喪艿揭粋€(gè)力突然停止運(yùn)動(dòng)時(shí)，單車(chē)使用者和單車(chē)后輪并沒(méi)有受到阻力，按照根據(jù)慣性定律，適用者和后輪會(huì)保持繼續(xù)向前的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，所以后輪會(huì)跳起來(lái)。而如果用后輪剎車(chē)，后輪受到阻力突然停止運(yùn)動(dòng)，前輪和使用者沒(méi)有收到阻力，會(huì)繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，會(huì)出現(xiàn)前傾現(xiàn)象。

共享車(chē)的其他力學(xué)知識(shí)點(diǎn)。共享單車(chē)的車(chē)在存放時(shí)，要打開(kāi)支架，支架上會(huì)掛有一個(gè)彈簧，使用時(shí)，彈簧拉緊，在單車(chē)自重和彈簧拉力的作用下，單車(chē)和地面間形成一個(gè)垂直的力，與車(chē)輪同地面接觸形成的力一道，保證單車(chē)存放的穩(wěn)定性。在它彈起時(shí)，彈簧的彈性勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，車(chē)支架自動(dòng)彈起。

共享單車(chē)的車(chē)座下有被壓縮的彈簧，單車(chē)車(chē)在不平的路面騎行時(shí)，這個(gè)彈簧會(huì)產(chǎn)生彈力，彈簧的彈性勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，彈簧起到減震作用。單車(chē)的坐墊一般會(huì)呈馬鞍型，它能夠增大坐墊與適用者臀部的接觸面積以減小臀部所受壓強(qiáng)，從而達(dá)到使用者相對(duì)不易疲勞的目的。

共享單車(chē)運(yùn)用的光學(xué)知識(shí)。共享單車(chē)尾部一般會(huì)有個(gè)紅色的塑料片，不會(huì)自行發(fā)光，但在晚上后方車(chē)燈的照射下，會(huì)出現(xiàn)較強(qiáng)反射光。這個(gè)尾部塑料片是由很多蜂窩狀的“小室”構(gòu)成的，而每一個(gè)“小室”是由三個(gè)約成90度的反射面組成的。

共享單車(chē)的電磁學(xué)知識(shí)。共享單車(chē)的掃碼使用、手機(jī)支付、鎖車(chē)系統(tǒng)和遠(yuǎn)程管理，都較多的運(yùn)用了電磁學(xué)知識(shí)，包括識(shí)別系統(tǒng)、處理系統(tǒng)、集成電路、遠(yuǎn)程傳輸、后臺(tái)控制等，絕大多數(shù)內(nèi)容都已經(jīng)超出了高中物理知識(shí)點(diǎn)，是需要高中生在未來(lái)大學(xué)認(rèn)真學(xué)習(xí)和鉆研的知識(shí)。

從物理知識(shí)的角度出發(fā)，就共享單車(chē)的設(shè)計(jì)及使用的幾點(diǎn)建議

建議加大單車(chē)剎車(chē)系統(tǒng)的巡查和維護(hù)。共享單車(chē)的剎車(chē)片很容易出問(wèn)題，要么人為，要么自然損耗，都是安全隱患，要靠加大巡查和及時(shí)維護(hù)來(lái)解決。

建議共享單車(chē)的車(chē)座能在舒適度上再做改進(jìn)。包括增加面積，盡可能增加臀部和車(chē)座的接觸面，車(chē)座下的彈簧也可以適度增加，減少震動(dòng)。

建議共享單車(chē)的車(chē)輪能再加大波紋。目前部分單車(chē)車(chē)輪要么出廠即比較光滑，要么磨損嚴(yán)重，車(chē)輪和地面的摩擦力不夠，雨雪天騎行安全度稍微欠缺。

建議進(jìn)一步規(guī)范單車(chē)存放。利用最新的定位技術(shù)或者電子圍欄技術(shù)，約束使用者把單車(chē)停放在某一指定區(qū)域，避免亂停亂放。

總之，作為新生事物的共享單車(chē)，蘊(yùn)含了大量的物理知識(shí)點(diǎn)，了解和知道這些，有利于我們?cè)黾訉W(xué)習(xí)物理的興趣，也有利于我們更好地使用單車(chē)。

（作者單位：1.鄭州市第十九中學(xué)（鄭州隴海中學(xué)）；2.鄭州外國(guó)語(yǔ)學(xué)校）