【汉开成美】教师分享 | 家用轿车的悬挂系统竟然用上了A-Level物理知识？

A-level物理课上，学生将会学习到“阻尼”这个物理概念。

同学们对于字面的意思会感到困惑不理解，为了让学生深入了解此概念，物理老师Terry带领同学们做一个阻尼影响弹簧振动的实验。同学们开始动手实验，他们通过调整阻尼系数来观察弹簧振动的情况。

“你们需要不断尝试，直到找到阻尼系数使得弹簧恰好停止振动。”老师提醒道。

学生们开始尝试，他们改变阻尼系数，不断进行实验。他们发现，当阻尼系数达到一定值时，弹簧的振动会迅速停止，而且不会反弹回来。这就是临界阻尼的状态。

“你们成功了！你们找到了阻尼系数为临界阻尼的状态！”老师鼓励道。

学生们看到弹簧停止振动，他们感到非常兴奋。他们立刻开始计算阻尼系数和实验数据，学习了如何计算临界阻尼和阻尼系数。他们还讨论了在生活中的阻尼现象，如空气阻力和车辆减震器的阻尼系数。

课后探究

这节物理课结束时，学生们学习到阻尼的定义和计算公式，并能解释生活中的阻尼现象。他们感到非常有成就感，同时也深刻地认识到了阻尼在实际生活中的应用。为此，他们进行了更深层次的研究，试图弄清家用轿车上的悬挂系统是如何用到阻尼这个物理概念的。他们的探究成果如下：

家用轿车的悬挂系统是车辆重要的组成部分之一，它的作用是在车辆行驶过程中，减少路面不平和震动对车身的冲击，使车辆行驶更加平稳和舒适。常见的悬挂系统包括独立悬挂和非独立悬挂两种类型。

▲独立悬挂系统原理图

独立悬挂是指车轮之间的悬挂系统是独立的，可以相互独立工作。独立悬挂可以提供更好的行驶性能和操控性能，因为它可以使车轮在不同的路面条件下独立地运动。常见的独立悬挂有麦弗逊悬挂、双叉臂悬挂、多连杆悬挂等。

▲独立悬挂系统运动模型

▲非独立悬挂系统原理图

非独立悬挂则是指车轮之间的悬挂系统不是独立的，它们是通过同一个悬挂系统来连接的。非独立悬挂通常比独立悬挂更简单和经济，但是行驶性能和操控性能通常不如独立悬挂。常见的非独立悬挂有梯形臂悬挂、扭力梁悬挂等。

▲非独立悬挂系统工作模型-扭力梁

在悬挂系统中，减震器是一个非常重要的部件。减震器的作用是减少路面震动和冲击对车辆的影响，提高车辆的行驶舒适性和稳定性。

▲悬挂系统中的减震器对比

减震器主要由缸筒、活塞、阀门、弹簧等组成。当车辆行驶时，路面的震动和冲击会使车身不断地上下振动，而减震器则会通过缓慢阻尼的方式来减少这种振动。减震器中的液体在缸筒和活塞之间流动，通过阀门来调节液体的流速和阻尼，从而起到减震的作用。

▲减震器原理图

减震器的阻尼是一个非常重要的参数。阻尼过大会导致车辆行驶不够舒适，阻尼过小则会导致车身上下颠簸。因此，减震器要保证在一定的阻尼范围内，才能够达到最佳的减震效果。

临界阻尼是指当减震器的阻尼等于一个特定值时，车辆的震动将被最快速地消除。如果阻尼小于临界阻尼，车辆会有反弹的现象，而如果阻尼大于临界阻尼，车辆将会发生过度阻尼的现象，导致乘坐舒适度下降。

▲减震器临界阻尼原理图

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撰稿 | 李纹洋

图片 | 李纹洋、郑培兰

编辑 | 郑培兰

审核 | 李娜