共享單車設計和運用中涉及的物理知識點

◎李龍翔 徐文博

共享單車設計和運用中涉及的物理知識點

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共享單車在國內的出現是一個創新，是共享經濟時代的重要代表，研究其經濟現象比較常見。本文以物理知識為出發點，觀察不同公司共享單車的設計思路和結構原理，總結共享單車蘊含的物理知識點，一方面學會運用物理知識觀察社會熱點問題，另一方面也適度探究下共享單車在使用中因設計缺陷可能存在的安全隱患，并嘗試給出自己的建議。

共享單車的誕生可以說是生逢其時，占盡了“天時地利人和”。一是國家倡導綠色出行之際，二是城市堵車嚴重到開車沒有走得快，三是健康需求開始萌芽，四是共享經濟出現萌芽，四是通訊、網絡支付和遠程控制技術已經成熟。共享單車的出現時間不長，但卻發展迅速，在短時間內，雨后春筍般出現了多家注冊公司，數萬輛單車被投放市場，服務范圍迅速席卷全國一線城市、二線城市、三線城市，甚至沿海縣級市和內地的四線城市。

本文觀察了多家公司的共享單車，對其蘊含的物理知識點進行了必要總結。

共享單車中蘊含的物理知識點

共享單車蘊含的物理知識點較多，包括簡單的力學知識、光學知識、電磁學知識等，這些知識有的比較淺顯，有的比較前端。

共享單車整體車架受力情況。目前各大公司的共享單車整體結構大致相同，基本上是一個V字型，上加一彎曲梁，負重通過車架傳導到車輪。靜止情況下的受力如圖1。

圖 1

圖 2

圖 3

共享單車前進中的力學分析。我們在使用共享單車時，騎行者和單車的自重通過車輪對地面產生壓力，而車輪和地面間有摩擦力，兩者疊加產生向前的動力。具體可以前輪和后輪分開看。先看后輪，這是一個主動輪，如圖2，騎行者和單車自重傳導過來的為M1，地面對車輪有一個M2 的力，當后輪在騎行者蹬動踏板帶動下動起來時，單車輪子最下的點和地面接觸，有一個向后的力，因為摩擦力的方向與物體相對運動趨勢相反，這樣，就有一個推動單車向前的滾動摩擦力F3。而前輪作為從動輪，受力如圖3，在后輪驅動下，因為地面參照物的存在，F1會推動單車前進，向后的滾動摩擦力F3就成為影響車速的主要因素。

共享單車的摩擦力問題。為防止共享單車在使用過程中過于光滑，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問題有聯系，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。共享單車在單一使用過程中，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，達到防止自行車打滑的目的。

為保證共享單車車身傳動系統能有較小摩擦力，單車的前軸、中軸及后軸一般都會用滾珠軸承，加上潤滑油后，能有效減少腳蹬部位的力向其他部位傳導過程中的摩擦力。

共享單車的動力。共享單車屬于非機動車，是靠人力驅動的。當使用者踩動腳踏，腳踏會帶動單車中部齒輪，中部齒輪再帶動車鏈，車鏈再帶動后齒輪，后齒輪帶動車輪，后輪轉動是，受摩擦力影響，單車會前進。這個過程中，腳踏帶動中齒輪，車鏈帶動后齒輪，都在運用杠桿原理，都是一個省力杠桿。

共享單車的杠桿原理的其他運用。共享單車的轉向是由前輪控制的，而控制前輪的是單車車把，車把控制前輪這個工程，就是一個省力控制，共享單車使用者可以用很小的力就能轉動自行車前輪，來控制自行車的運動方向和自行車的平衡。

共享單車的剎車過程也是一個杠桿，單車的剎車一般在車把上，有一個閘，用力握閘就能實現剎車目的。單車車把上的閘把就是省力杠桿，單車使用者可以用較小的力就能使車閘以較大的壓力壓到車輪的鋼圈上。

共享單車在剎車過程中的慣性問題。快速行駛的共享單車，如果突然用前輪剎住，后輪可能有跳起現象。這是慣性的原因，因為前輪受到一個力突然停止運動時，單車使用者和單車后輪并沒有受到阻力，按照根據慣性定律，適用者和后輪會保持繼續向前的運動狀態，所以后輪會跳起來。而如果用后輪剎車，后輪受到阻力突然停止運動，前輪和使用者沒有收到阻力，會繼續向前運動，會出現前傾現象。

共享車的其他力學知識點。共享單車的車在存放時，要打開支架，支架上會掛有一個彈簧，使用時，彈簧拉緊，在單車自重和彈簧拉力的作用下，單車和地面間形成一個垂直的力，與車輪同地面接觸形成的力一道，保證單車存放的穩定性。在它彈起時，彈簧的彈性勢能轉化為動能，車支架自動彈起。

共享單車的車座下有被壓縮的彈簧，單車車在不平的路面騎行時，這個彈簧會產生彈力，彈簧的彈性勢能轉化為動能，彈簧起到減震作用。單車的坐墊一般會呈馬鞍型，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，從而達到使用者相對不易疲勞的目的。

共享單車運用的光學知識。共享單車尾部一般會有個紅色的塑料片，不會自行發光，但在晚上后方車燈的照射下，會出現較強反射光。這個尾部塑料片是由很多蜂窩狀的“小室”構成的，而每一個“小室”是由三個約成90度的反射面組成的。

共享單車的電磁學知識。共享單車的掃碼使用、手機支付、鎖車系統和遠程管理，都較多的運用了電磁學知識，包括識別系統、處理系統、集成電路、遠程傳輸、后臺控制等，絕大多數內容都已經超出了高中物理知識點，是需要高中生在未來大學認真學習和鉆研的知識。

從物理知識的角度出發，就共享單車的設計及使用的幾點建議

建議加大單車剎車系統的巡查和維護。共享單車的剎車片很容易出問題，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維護來解決。

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

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

建議進一步規范單車存放。利用最新的定位技術或者電子圍欄技術，約束使用者把單車停放在某一指定區域，避免亂停亂放。

總之，作為新生事物的共享單車，蘊含了大量的物理知識點，了解和知道這些，有利于我們增加學習物理的興趣，也有利于我們更好地使用單車。

（作者單位：1.鄭州市第十九中學（鄭州隴海中學）；2.鄭州外國語學校）