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為什么不倒翁不會倒

2019/05/02 来源:佳木斯信息港

导读

不倒翁的原理很簡單,早在我國母系社會時期的半坡人便已能熟練運用。他們發明了一種提水壺,學名尖底瓶,是當時的汲水工具。將空的瓶子用繩子系住雙耳

不倒翁的原理很簡單,早在我國母系社會時期的半坡人便已能熟練運用。他們發明了一種提水壺,學名尖底瓶,是當時的汲水工具。將空的瓶子用繩子系住雙耳,然后拋入水中,因為重力而自動下沉,但是注滿水后,又因為重心轉移,瓶口朝上豎起,此時用繩將瓶拉倒岸邊,從而實現汲水的功能。

虽然原理大致相同,但是关于不倒翁的前身,学者们普遍认同是由唐代的一种劝酒工具——捕醉仙转化而来。后来则不知哪位匠人突发灵感,而将此改制,成为一种头戴乌纱、身着官袍的不倒翁玩具,并快速得到孩童的爱好与追捧。

我们小时候大约也都玩过不倒翁,上面我们也简单讲了一下它的前身历史,但是它究竟是靠什么力量而始终不倒呢?我们来细细地讲一讲。

首先,不倒翁是什么样子的呢?我们常见的不倒翁是纸身、泥底,也有用木头、铁块或小石子为底的,但是不管用什么材料,不倒翁总有这么一些特点,即:上半身为空心壳体、下半身位实心半球体,底部的轮廓则是一个圆形。这些特点使它们具有了一致的基本力学结构,从而达到“不倒”的效果。

为何这样就不会倒了呢?我们说过了,不倒翁上半身是一个空心壳体,重量很轻;下半身是一个实心的半球体,重量相对较大,所以不倒翁的重心是在下面较重的半球体之内。而半球体与其支承面之间只有一个支点,当半球体在支承面上滚动时,支点的位置也随之发生改变。信息观察,我们就可以发现,不倒翁始终都是用这么一个支点立于支承面之上的,即它什么时候都是一个独脚体。

虽然独脚,但是在不受外力的情况下,它所受的地球引力和地面对它的支持力是大小相等、方向相反、作用在一条直线上的一对平衡力,所以它可以保持平衡。那么当有外力作用的时候,它又是怎样保持平衡的呢?

受到外力后,不倒翁倾斜,并遭到两个力矩的作用,一个是外力的干扰力矩,另一个则是不倒翁自身重力形成的抵抗力矩。根据杠杆原理,当不倒翁倒下时,重心的作用点一直处于端部,而且不管此时的支点在哪里,虽然底座的力臂较短,但是力矩却大,于是不倒翁便由于底座这边较大的力矩而恢复成原始状态,即直立状态。此外,由于不倒翁的底部为圆形,所受的摩擦力小,也便于它回到原始状态。

在这个过程中,新平衡的建立是重中之重,因为只有重新建立平衡,才能消除外力的影响;既然外力影响已经去除,那末再回到初的原始状态,就不成问题了。全部这类过程,即不倒翁始终保持平衡的属性,被称为“平衡的稳定性”。

用简单点的白话来讲,就是:上轻下重的物体比较稳定,即重心越低越稳定。所以不论不倒翁如何“跌倒”,它总会再次“爬起来”。

作者:蔺亚丁

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