基于智能手机研究电梯运行物理特性

刘熹微，马成长，易伟松

(华中农业大学 理学院，湖北 武汉 430070)

随着经济和社会发展，大中城市高层建筑林立，电梯成为不可或缺的垂直交通工具。除安全性和可靠性是电梯首要考虑因素以外，乘坐舒适度也逐渐成为民众关注焦点[1]。多个居民反映，乘坐某栋楼1#电梯经常产生耳鸣，而乘坐该楼2#电梯则没有耳鸣，这在部分居民中引起一些恐慌。经过电梯维修保养公司检测，该栋楼1#、2#电梯都处于正常工作状态。针对这个生活中的问题，文章基于智能手机研究电梯运行物理特性，最终用物理知识解决该疑问，体现“从生活走向物理，从物理走向社会”。

1 实验原理

1.1 客观性耳鸣

耳鸣(tinnitus)分为主观性耳鸣和客观性耳鸣。主观性耳鸣是在外界无相应声源或电(磁)刺激情况下，患者自觉耳内或颅内有声音的主观感受；客观性耳鸣是外界有客观刺激源存在的耳鸣[2]。乘坐电梯导致的耳鸣属于后者，原因是电梯在高速运行过程中，轿厢内气压发生变化，耳膜内外气压不均衡，导致乘客产生耳鸣等不适感[3]。问题在于同一地理位置、同一相对高度、同一型号电梯，乘坐舒适度却不同，乘坐1#电梯有耳鸣，乘坐而2#电梯却没有耳鸣？为探寻两部电梯乘坐舒适度差异产生原因，文章基于智能手机研究电梯运行物理特性。

1.2 气压传感器与加速度传感器

随着传感器技术不断发展进步，各种数字传感器广泛应用于手机，使得手机越发智能，不仅是通信工具，而且更是具有综合功能的便携式电子设备。气压传感器(barometer)对大气压强变化敏感，具有许多重要应用，包括天气预报、室内导航、健身追踪、高度检测等。加速度传感器(accelerometer)通过对自身器件所受惯性力的测量，利用牛顿第二定律获得加速度值。

1.3 物理实验应用程序

手机传感器还需要应用程序控制。物理实验应用程序phyphox，由德国亚琛工业大学第二物理研究所开发，专为利用智能手机完成物理实验而诞生。通过调用手机内置传感器，phyphox能够记录物理过程，测量物理数据，帮助完成物理实验，涉及力学、热学、声学、光学、磁学等多个领域[4]。因为新冠疫情大流行，居家物理实验盛行，使得phyphox成为下载量最大、使用最普遍的智能手机物理实验应用程序[5]。

2 实验步骤

2.1 实验仪器

内置气压传感器和加速度传感器的智能手机一部，安装最新版phyphox 1.1.8应用程序(官方网站https：//phyphox.org)。

2.2 实验内容

(1)小区该栋45层楼为实验地点(图1)，对1#电梯和2#电梯执行相同的实验。

图1 小区45层住宅外景

(2)手机置于电梯地板中央，启动phyphox应用程序(图2)。

图2 phyphox 应用程序界面

(3)选择“电梯”选项，点击“开始”图标，智能手机随电梯从地面1楼上行到最高层45楼，稍做停顿后再下降到地面1楼，点击“停止”图标，结束数据记录。

(4)截取手机屏幕并导出原始数据等待分析。

3 实验结果与讨论

利用phyphox应用程序的“电梯”选项，测量电梯在整个运行过程中相对高度、垂直速度和轴向加速度随时间变化情况，对1、2#电梯实验结果分别如图3、4所示。

3.1 电梯运行高度

从图3、4中可见，1#电梯和2#电梯运行最高相对高度基本一致，约130 m。依据该楼设计建造图纸，楼高45层，层高3 m，电梯运行到最高处为(45-1)×3=132 m，百分偏差为1.5%。图3中高度曲线的上升沿约54 m处呈现“台阶”形状，图3速度曲线和加速度曲线也有相应变化，而图4中没有观察到类似“台阶”。这是因为在实验过程中，1#电梯在19楼有乘客上下，此时电梯高度(19-1)×3=54 m，与“台阶”所处高度一致。由此可见，实验过程中有乘客上下，不会影响实验结果，而且根据高度曲线中“台阶”所在位置，可以计算出电梯在什么楼层有乘客上下。

图3 1#电梯高度、速度和加速度实验结果

图4 2#电梯高度、速度和加速度实验结果

因为1#电梯和2#电梯运行相对高度基本一致，气压变化也基本一致，因此楼层高度不是耳鸣产生的原因。

3.2 电梯运行速度

3.3 电梯运行加速度

1#电梯运行垂直加速度为0.5 m/s2，2#电梯运行垂直加速度为0.4 m/s2，也都符合GB/T10058—2009《电梯技术条件》规定“乘客电梯的启动加速度和制动减速度都应该控制在1.5 m/s2以内”。但是1#电梯比2#电梯启动加速度和制动减速度都高25%，即在相同时间内，1#电梯垂直速度变化率比2#电梯快25%，导致高度和气压变化率差异。此外，由于1#电梯启动加速度和制动减速度大于2#电梯，因此乘坐1#电梯的超重和失重情况更加严重，使乘客产生更强不适感[1]。由此可见，电梯启动加速度、制动减速度不同是1#电梯产生耳鸣的另一主要原因。

3.4 建议与拓展

综上所述，尽管该楼电梯都处于正常工作状态，符合电梯相关国家标准和质量要求。但是1#电梯运行速度和加速度等物理参数都高于2#电梯，导致部分耳膜较为敏感住户在乘坐1#电梯时，产生轻微耳鸣现象。将实验数据和分析结果反馈给物业和电梯维修保养公司，并建议将1#电梯运行参数进行优化调整。当两部电梯运行参数一致时，抱怨乘坐1#电梯产生耳鸣的情况显著减少。

当气压急剧变化时(如高速电梯运行、飞机起飞降落、高铁通过隧道、开车上下山等)，乘客耳膜内外气压不平衡超过不适阈值，就可能导致耳鸣，因此客观性耳鸣是人体对物理规律的正常生理反应。工程人员可以采用气压变化调节技术，降低耳鸣产生刺激源的不利影响，提高交通工具乘坐舒适性[3]。当耳鸣产生时，乘客可以佩戴耳塞，张开嘴巴深呼吸，打哈欠甚至开口讲话等都能缓解耳部不适。如果因为紧张而紧闭嘴巴、屏住呼吸，耳鸣症状将加剧[2]。

在新冠疫情防控期间，“基于智能手机研究电梯运行物理特性”也成为居家物理实验项目。通过该项目探索研究，学生加深了对热学和运动学知识的理解。研究生活中物理问题，既增强了物理实验趣味性，又激发了学生探究欲望。利用智能手机开展物理实验和教学的例子还有很多[7-9]，教师和学生可以根据自己的观察和思考，不断拓展智能手机在物理实验领域的应用。

4 总 结

针对乘坐电梯产生耳鸣的问题，基于智能手机气压传感器、加速度传感器和物理实验应用程序phyphox，对高层建筑电梯运行物理特性进行研究，结果表明电梯运行速度和加速度过大，导致气压的变化幅度及变化速率超过阈值范围，导致部分耳膜较为敏感住户产生耳鸣现象。在电梯维修保养公司调整优化电梯运行参数以后，该问题得到圆满解决，体现了“从生活走向物理，从物理走向社会”。