共享单车设计和运用中涉及的物理知识点

◎李龙翔 徐文博

共享单车设计和运用中涉及的物理知识点

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共享单车在国内的出现是一个创新，是共享经济时代的重要代表，研究其经济现象比较常见。本文以物理知识为出发点，观察不同公司共享单车的设计思路和结构原理，总结共享单车蕴含的物理知识点，一方面学会运用物理知识观察社会热点问题，另一方面也适度探究下共享单车在使用中因设计缺陷可能存在的安全隐患，并尝试给出自己的建议。

共享单车的诞生可以说是生逢其时，占尽了“天时地利人和”。一是国家倡导绿色出行之际，二是城市堵车严重到开车没有走得快，三是健康需求开始萌芽，四是共享经济出现萌芽，四是通讯、网络支付和远程控制技术已经成熟。共享单车的出现时间不长，但却发展迅速，在短时间内，雨后春笋般出现了多家注册公司，数万辆单车被投放市场，服务范围迅速席卷全国一线城市、二线城市、三线城市，甚至沿海县级市和内地的四线城市。

本文观察了多家公司的共享单车，对其蕴含的物理知识点进行了必要总结。

共享单车中蕴含的物理知识点

共享单车蕴含的物理知识点较多，包括简单的力学知识、光学知识、电磁学知识等，这些知识有的比较浅显，有的比较前端。

共享单车整体车架受力情况。目前各大公司的共享单车整体结构大致相同，基本上是一个V字型，上加一弯曲梁，负重通过车架传导到车轮。静止情况下的受力如图1。

图 1

图 2

图 3

共享单车前进中的力学分析。我们在使用共享单车时，骑行者和单车的自重通过车轮对地面产生压力，而车轮和地面间有摩擦力，两者叠加产生向前的动力。具体可以前轮和后轮分开看。先看后轮，这是一个主动轮，如图2，骑行者和单车自重传导过来的为M1，地面对车轮有一个M2 的力，当后轮在骑行者蹬动踏板带动下动起来时，单车轮子最下的点和地面接触，有一个向后的力，因为摩擦力的方向与物体相对运动趋势相反，这样，就有一个推动单车向前的滚动摩擦力F3。而前轮作为从动轮，受力如图3，在后轮驱动下，因为地面参照物的存在，F1会推动单车前进，向后的滚动摩擦力F3就成为影响车速的主要因素。

共享单车的摩擦力问题。为防止共享单车在使用过程中过于光滑，尽可能减少不安全因素，其外胎往往有不少凸凹不平的纹路，这是要增加摩擦力的需要。我们知道，摩擦力的大小一般与两个问题有联系，分别是承载的压力大小和接触面的粗糙程度。压力越大，摩擦力越大；接触面越粗糙，摩擦力越大。共享单车在单一使用过程中，承载的压力是固定的，要增加摩擦力，就只能增加外胎的纹路粗糙程度，以此增大摩擦力，达到防止自行车打滑的目的。

为保证共享单车车身传动系统能有较小摩擦力，单车的前轴、中轴及后轴一般都会用滚珠轴承，加上润滑油后，能有效减少脚蹬部位的力向其他部位传导过程中的摩擦力。

共享单车的动力。共享单车属于非机动车，是靠人力驱动的。当使用者踩动脚踏，脚踏会带动单车中部齿轮，中部齿轮再带动车链，车链再带动后齿轮，后齿轮带动车轮，后轮转动是，受摩擦力影响，单车会前进。这个过程中，脚踏带动中齿轮，车链带动后齿轮，都在运用杠杆原理，都是一个省力杠杆。

共享单车的杠杆原理的其他运用。共享单车的转向是由前轮控制的，而控制前轮的是单车车把，车把控制前轮这个工程，就是一个省力控制，共享单车使用者可以用很小的力就能转动自行车前轮，来控制自行车的运动方向和自行车的平衡。

共享单车的刹车过程也是一个杠杆，单车的刹车一般在车把上，有一个闸，用力握闸就能实现刹车目的。单车车把上的闸把就是省力杠杆，单车使用者可以用较小的力就能使车闸以较大的压力压到车轮的钢圈上。

共享单车在刹车过程中的惯性问题。快速行驶的共享单车，如果突然用前轮刹住，后轮可能有跳起现象。这是惯性的原因，因为前轮受到一个力突然停止运动时，单车使用者和单车后轮并没有受到阻力，按照根据惯性定律，适用者和后轮会保持继续向前的运动状态，所以后轮会跳起来。而如果用后轮刹车，后轮受到阻力突然停止运动，前轮和使用者没有收到阻力，会继续向前运动，会出现前倾现象。

共享车的其他力学知识点。共享单车的车在存放时，要打开支架，支架上会挂有一个弹簧，使用时，弹簧拉紧，在单车自重和弹簧拉力的作用下，单车和地面间形成一个垂直的力，与车轮同地面接触形成的力一道，保证单车存放的稳定性。在它弹起时，弹簧的弹性势能转化为动能，车支架自动弹起。

共享单车的车座下有被压缩的弹簧，单车车在不平的路面骑行时，这个弹簧会产生弹力，弹簧的弹性势能转化为动能，弹簧起到减震作用。单车的坐垫一般会呈马鞍型，它能够增大坐垫与适用者臀部的接触面积以减小臀部所受压强，从而达到使用者相对不易疲劳的目的。

共享单车运用的光学知识。共享单车尾部一般会有个红色的塑料片，不会自行发光，但在晚上后方车灯的照射下，会出现较强反射光。这个尾部塑料片是由很多蜂窝状的“小室”构成的，而每一个“小室”是由三个约成90度的反射面组成的。

共享单车的电磁学知识。共享单车的扫码使用、手机支付、锁车系统和远程管理，都较多的运用了电磁学知识，包括识别系统、处理系统、集成电路、远程传输、后台控制等，绝大多数内容都已经超出了高中物理知识点，是需要高中生在未来大学认真学习和钻研的知识。

从物理知识的角度出发，就共享单车的设计及使用的几点建议

建议加大单车刹车系统的巡查和维护。共享单车的刹车片很容易出问题，要么人为，要么自然损耗，都是安全隐患，要靠加大巡查和及时维护来解决。

建议共享单车的车座能在舒适度上再做改进。包括增加面积，尽可能增加臀部和车座的接触面，车座下的弹簧也可以适度增加，减少震动。

建议共享单车的车轮能再加大波纹。目前部分单车车轮要么出厂即比较光滑，要么磨损严重，车轮和地面的摩擦力不够，雨雪天骑行安全度稍微欠缺。

建议进一步规范单车存放。利用最新的定位技术或者电子围栏技术，约束使用者把单车停放在某一指定区域，避免乱停乱放。

总之，作为新生事物的共享单车，蕴含了大量的物理知识点，了解和知道这些，有利于我们增加学习物理的兴趣，也有利于我们更好地使用单车。

（作者单位：1.郑州市第十九中学（郑州陇海中学）；2.郑州外国语学校）