上轻下重的物体为什么特别稳?其实很简单,重心越低越不容易倒。就像我们平时看到的砖头,平放时稳得很,竖起来就容易倒;半瓶水的瓶子比空瓶或满瓶更稳。这些例子都说明,要让物体稳定,需要两个条件:底面积要大,重心要低。物体的重心就是它所受重力的合力作用点。只要底面积越大、重心越低,物体就越稳,越不容易翻倒。比如,塔形建筑总是下面大上面尖,装货时也总是把重的东西放在下面,轻的东西放在上面。
不倒翁为什么能”百推不倒”呢?秘密就藏在这几个特点里。它的整个身体都很轻,只在底部装了块较重的铅块或铁块,所以重心特别低。同时,它的底面大而圆滑,容易摆动。当不倒翁向一边倾斜时,支点(接触桌面的点)会发生变化,导致重心和支点不再在同一条垂直线上。这时,重力就会让它绕着支点摆动,直到恢复原位。倾斜得越厉害,重心离支点的水平距离就越大,重力产生的摆动效果也越强,让它越想回到原位。所以不倒翁就像个永动机,怎么推都推不倒。
这种能在受到微小扰动后自动恢复原位的平衡状态,在物理学上叫做”稳定平衡”。而像乒乓球、足球这样的球体,在受到外力后可以在任何位置保持平衡,这种状态叫”随遇平衡”。比如横放在桌上的铅笔,不管滚到哪儿,重心的高度都不变。不倒翁的原理其实很简单:上半身轻,下半身重,重心低;底面积大,容易滚动。当它倾斜时,重力会形成抵抗力矩,随着倾斜角度增大,抵抗力矩也增大,最终和外力力矩平衡,让它自动恢复原位。
不倒翁的力学原理很有趣。它的空心上半身很轻,实心半球体下半身很重,重心就在半球体内部。当它倒下时,重心会升高,但重力会形成抵抗力矩,随着倾斜角度增大,抵抗力矩也增大。比如,倒下时重心的作用点始终在端部,虽然底座的力臂短,但力矩更大,所以会自动恢复直立状态。此外,不倒翁底部是圆形,摩擦力小,也方便它滚动回原位。
生活中有很多利用重心的例子。电扇底座、话筒架、公交站牌都加了重块来降低重心,增加稳定性。还有像”斤头虫”这样的玩具,里面装个小滚珠,就能来回翻滚。甚至走钢丝的杂技演员,手持平衡棒也是为了降低重心。不倒翁的原理不仅有趣,还藏着很多物理学知识,让我们在玩乐中学习科学的奥秘。
文章网址:https://www.gushiio.com/fangfa/zhishibaike/65535.html