共享單車的受力分析與改良

文華中師范大學第一附屬中學 張慧子 馬志祥

目前，市面上出現的共享單車品牌很多，摩拜單車、ofo小黃車和小藍單車為常見的三類。由于這三種共享單車的車胎花紋及材質有所不同，用戶的騎行體驗也不同。如何提升用戶的騎行安全與體驗？我們進行了探究。

在調查中我們發現，摩拜單車車胎采用對稱花紋，這種花紋綜合性較強，應用最廣泛。ofo小黃車的車胎采用塊狀花紋，行駛時不易嵌入砂石。小藍單車的車胎采用鋸齒型花紋，可減少車輛的噪聲，增大摩擦力。此外，ofo小黃車采用充氣輪胎，減震效果很好。摩拜單車和小藍單車均采用全實心胎，前者的實心胎直徑較小，能減少騎行時的阻力。實心胎雖成本高，但后期維護方便。

一、共享單車所受摩擦力分析

共享單車的狀態分為靜止、在平面上起動、勻速前進和下坡等，本文選取在平面上起動時的狀態進行分析。

在平地起動（或加速）時，后輪轉動產生讓自行車前行的動力，故后輪為主動輪，相對于地面有向后運動的趨勢，其所受摩擦力方向向前。前輪是從動輪，受到的摩擦力向后。將自行車與騎行者視作一個系統，則騎行者對自行車的蹬踏屬于系統內力，可不予考慮。系統受地面對自行車前、后輪的支持力、風的阻力（大小與騎行者的姿態、迎風面積、風速等有關）、地面與車輪之間的摩擦力。

自行車車胎花紋的作用是增大接觸面的粗糙程度，從而增加動摩擦系數、增大摩擦力。相比之下，摩拜單車車胎花紋為對稱花紋，其摩擦系數最小，在雨雪天氣騎行時易打滑；ofo小黃車車胎花紋為塊狀花紋，摩擦系數適中；小藍單車車胎花紋較復雜，其摩擦系數最大。

摩擦力與支持力成正比，因此在騎行過程中，加速度與摩擦系數密切相關，摩擦系數越大則越容易加速，騎行體驗更佳。反之，摩擦系數越小，越易出現自行車難加速、難停車甚至翻倒等現象。

二、改良共享單車

摩擦系數與共享單車輪胎的花紋相關。基于此，我們提出了共享單車的改良建議：在共享單車輪胎內加裝一組傳感器，監控輪胎磨損及胎壓，并在車鎖內安裝接收器。

我們提出了兩種設想：一種是在輪胎內壁附著兩個電極，電極上加振蕩電壓從而產生電磁波，電磁波外溢且受輪胎橡膠層“干擾”，測量這個“干擾”就可以得出輪胎的磨損情況，并將結果通過另外的電磁波發送到車鎖內的接收裝置。

另一種是考慮到單車輪胎幾乎絕緣，可在制造輪胎時將輪胎中的鋼絲連接一些金屬線頭并藏在輪胎花紋里，當輪胎磨損嚴重使這些金屬線頭露出時，就表示輪胎該更換了。在這種專用輪胎內壁附著傳感器，傳感器的電極與輪胎金屬網構成一個電熱器。在傳感器電極上施加一定的電壓，輪胎金屬網會產生靜電感應。當輪胎磨損到有金屬線頭外露時，外露的金屬線頭就會觸地而放電，傳感器得到一個脈沖信號，即“換胎信號”，并將此信號發送至車鎖內的接收裝置。

這兩個設想，前者實現的難度大，但有機會對輪胎進行即時測量監控，后者則相對容易實現，但需要修改輪胎制造標準。傳感器必須很薄、很輕，這樣既能附著在輪胎內壁，或者“打印”在輪胎內壁，又不會破壞輪胎的動平衡。如果在傳感器上加裝壓強傳感器，則可以同時檢測胎壓。

當輪胎達到必須更換的厚度會觸發換胎信號，車鎖里的接收器主機發出報警信號，提示使用者該共享單車存在安全隱患，應盡快結束騎行，使用者付費停車后，車輛被“鎖死”。

當下一位騎行者掃描該車的二維碼，單車發出提示，該車輛輪胎因故障待修且拒絕開鎖，并發送信號給共享單車公司。當然也可以由手機機主主動上報故障，共享單車公司再給予積分獎勵，從而使車輛得到及時維護。這樣既能確保使用者的安全，也能保證共享單車正常運行。