藍色情懷

文／楊嘉慧
審稿／南港高工模具科教師　鄭宗銘

　騎單車上班或郊遊，已經是不少人的生活習慣。針對騎乘目的的不同，現在有各種款式的自行車，而且越做越輕，速度更隨之提升。不過，當速度超過每小時 20 公里，又遇事故緊急煞車時，很可能翻車而導致嚴重摔傷。南港高工模具科教師邱年鴻因騎自行車嚴重摔傷，於是請該科教師鄭宗銘與學生李日傑、廖培丞、吳冠賢及蔡昇峰，共同研究一套防止翻車的安全煞車裝置，並相繼獲得台北市中小學科展特優、全國中小學科展佳作，及第八屆旺宏科學獎金牌獎。

　鄭宗銘表示，安全的煞車應該是先讓前輪從滾動中減速至一安全速度以下，再變成滑動摩擦狀態，最後停下來，且後輪要比前輪更早從滾動狀態變成滑動狀態。若前輪先變成滑動狀態，而後輪仍處滾動狀態時，前輪對地面的正向力增加，會使前輪摩擦力變大而阻止滑行，自行車便會以前輪觸地點為支點，向前翻覆。在自行車越做越輕、重心上移的情形下，更容易發生翻車意外。所以煞車時一定要先煞後輪，再煞前輪。然而也不能只煞後輪，因為後煞產生的摩擦力比車子的慣性還小時，會造成打滑現象。

只煞前輪時，若前輪與地面在滑動摩擦狀態下不產生滑行，當逆時針力矩大於順時針力矩時，便會以前輪的觸地點為支點，使車子翻覆。（電腦繪圖：姚裕評）

只煞後輪時，後輪的觸地點為支點，此時整個力系統對該支點的力矩總和為零，所以車子不會翻覆，但若自行車的慣性大於摩擦力，後輪與地面便會產生打滑的現象。（電腦繪圖：姚裕評）

　目前自行車的前、後輪煞車各別由左、右把手控制，壓下把手的幅度越大，煞車力道越強，而國內兩大廠牌自行車控制前、後煞的左、右把手正好相反，若從甲牌換成乙牌，很容易按錯把手，導致前輪先停而翻覆。再者，狀況發生時，人們所能反應的時間不到一秒，多數人往往會一起將左、右把手壓到底，若正好造成前輪先停，十分危險。

只需數百元，煞車更安全

　為了讓煞車更安全，李日傑等人想出了幾種解決方法。其中一種是將抽水馬桶的二段式沖水裝置應用在自行車上，希望能先煞後輪，自行車減速到一定程度後，再煞前輪。然而儘管前煞較後煞危險，但前輪的煞車效率卻比後輪高，而且經過推算，時速在 20 公里以上，最好的煞車方式是前輪煞車力道佔 70%，後輪 30%，才能有適當煞車的距離。而二段式煞車裝置雖然有助於安全性的提升，卻不能同時進行前煞與後煞，降低煞車效率，因此得另朝可以讓前、後輪有各自獨立的煞車系統發展著手。

　經過將近一年的研究，李日傑等人終於設計出構造簡單、安裝方便的安全煞車裝置，即在把手前加裝了一條與前、後煞相接的連動鋼線，前煞端的鋼線連著一個卡勾塊，後煞端的鋼線有一個可控制卡勾塊的定位器組（見下圖）。當雙手壓下煞車把手時，前煞端的把手下壓幅度超過 80% 後，把手便會被卡勾塊勾住而無法完全壓到底，直到後煞端的把手壓了 80% 以上時，卡勾塊才會將前煞把手鬆開，允許前輪煞到底。這麼一來，即可避免緊急煞車時，前輪在高速下鎖死、而後輪持續轉動的危險情形。

煞車防鎖死安全系統示意圖，圖中自行車的左手為後煞，右手為前煞。該裝置是透過連動鋼線，延遲前煞鎖死的時間。連動鋼線兩端各接在左、右把手，當後煞撥動器移動到定位器組時，才會將卡住前煞把手的上勾塊拉開，允許前輪完全停止滾動。（影像來源：鄭宗銘）

　鄭宗銘表示，此套煞車裝置他們已申請到專利，且成本不高，只有 300 元左右，將來若商品化，成本還會再降低，這樣，每位自行車騎士只要花一點小錢，就能輕鬆擁有這套安全煞車裝車，讓騎車更有保障。

煞車防鎖死操作示意圖：(1)開始煞車，前、後煞均正常作用，讓車輪滾動減速；(2)按壓前煞至卡勾處，無法繼續壓下，前輪被限制在滾動摩擦區；(3)按壓後煞使後輪滾動減速；(4)當後煞按壓至滑動摩擦區 ，撥動頭向左推動定位器組，即會打開右側前煞的卡勾；(5)卡勾打開後，前煞可繼續壓至滑動摩擦區。 （影像來源：鄭宗銘）

找出完美的煞車方式 

圖為未裝置安全煞車裝置的自行車，車速每小時7公里急煞前輪時，幾乎接近往前空翻的條件（人與車重心高度為1.1公尺、重心與煞車點的水平距離為0.6公尺）。（影像來源：鄭宗銘）

　為了讓安全煞車裝置更接近實際使用情形，南港高工模具科教師鄭宗銘與學生李日傑、廖培丞、吳冠賢及蔡昇峰等，先從牛頓第二定律、力矩公式等分析自行車的運動模式，如推算緊急煞車時，速度在多少以上會造成後輪離地；在不翻覆的情況下，減速度的臨界值大小；不同行進速度的安全滑行距離，及不同重心高低的安全滑行距離等。

　有了基本數據後，接著便是以實驗找出前、後煞之間最適當的連動關係，讓前煞能在適當時機才壓到底。他們發現車子是否會翻覆與煞車時的滑行距離有關，只要能控制煞車滑行距離在某一數值之上（見下表），就可讓自行車平穩滑行而不翻覆。為了決定何時才讓前輪鎖死，保持安全滑行距離，他們分別調整讓後煞把手壓了 60%、80% 後，才讓卡勾塊放掉，將前輪鎖死，結果實驗發現，不論哪種牌子的自行車，後煞把手壓的幅度都必須超過 80% 後，再允許前煞鎖死，比較符合安全條件，在這之前打開卡勾塊的話，就可能有空翻的危險。若使用他們的安全煞車裝置，並將前輪鎖死時機定在後煞把手壓下 80% 之後，自行車在時速 25 公里下緊急煞車時，共滑行 5.4 公尺才停止，長於推算的安全滑行距離 4.2 公尺。

由力學公式推導可知，若減速度相同，速度的平方與煞車距離成正比的關係。此圖表是在自行車與人的重心高度為1.1公尺，重心與前輪觸地點的水平距離為0.6公尺的前提下，推算而得的結果。當行車速度在24km/hr，煞車距離必須在4公尺以上才不會翻車；30km/hr時，必須要超過6.5公尺。（影像來源：鄭宗銘）

　鄭宗銘強調，由於該裝置延後了前煞煞到底的時間，會使煞車距離比緊急同時壓下兩手煞車時加長一些，因此高速騎車時，特別要注意和前車保持安全距離，經十字路口時，也要煞車減速，才能在發生事故時，給予自行車適當的滑行距離。

　此外，卡勾與把手間的傾斜角也是他們的研究重點，若角度設計不當，很可能出現過大的摩擦力，使卡勾不易被拉開。經過多次計算與實驗，他們終於找到最恰當的角度，讓卡勾在後煞未壓緊前，可以緊緊卡住前煞，而緊壓後煞時也能順利帶動定位器組而使卡勾鬆開。

　該煞車系統同時設計成可移動定位器，讓後煞把手能選擇在 85~95% 才拉開卡勾塊，適合習慣高速行駛的車主。不過，李日傑等人希望未來能設計成依車速自行判斷何時放開卡勾塊，讓煞車防翻覆裝置更加完備。

延伸閱讀
................................................................................................................................................................
《自行車學─含原理與檢修》，蔡正樑、林豐耀、張炳輝著， 台南覆文書局出版

《小逕自行車 保養維修&改裝》，高橋矩彥著， 楓書坊出版

《第一本自行車的科學解析》，藤井德明著，三悅文化出版

高二課本《物理》上冊