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不倒翁为什么不会倒的原因

时间:2020-09-15 16:05:02本文内容及图片来源于读者投稿,如有侵权请联系xuexila888@qq.com 淑燕 我要投稿

用简单点的白话来说,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”。一起来看看不倒翁为什么不会倒的原因,欢迎查阅!

不倒翁为什么不会倒

大家都有这样的经验:平放的砖头很稳定,把砖头竖立起来就容易翻倒;瓶子里装了半瓶水稳定,空瓶子或是装满水的瓶子就比较容易翻倒。从上面两个事例来看,要使一个物体稳定,不易翻倒,需要满足两个条件:第一,它的底面积要大;第二,它的重心要低。物体的重心可以认为是其所受重力的合力作用点。

对任何物体来说,如果它的底面积越大,重心越低,它就越稳,越不容易翻倒。例如:塔形建筑物总是下面大上面尖;装运货物时,总是把重的东西放在下面,轻的东西放在上面。

了解了这些知识,我们再来看看不倒翁。不倒翁的整个身体都很轻,只是在它的底部有一块较重的铅块或铁块,因此它的重心很低;另一方面,不倒翁的底面大而圆滑,容易摆动。当不倒翁向一边倾斜时,由于支点(不倒翁和桌面的接触点)发生变动,重心和支点就不在同一条铅垂线上,这时候,不倒翁在重力的作用下会绕支点摆动,直到恢复正常的位置。不倒翁倾斜的程度越大,重心离开支点的水平距离就越大,重力产生的摆动效果也越大,使它恢复到原位的趋势也就越显著,所以不倒翁是永远推不倒的。

像不倒翁这样,原来静止的物体在受到微小扰动后能自动恢复原位的平衡状态,在物理学上叫做稳定平衡。而像乒乓球足球篮球等球状物体,在受到外力后,可以在任何位置继续保持平衡,这种状态称为随遇平衡。处于随遇平衡的物体,重心和支点始终在同一条铅垂线上,而且重心的高度保持不变。横放在桌上的铅笔,就是一种随遇平衡,不管它滚到哪儿,重心的高度是不变的。

不倒翁不倒的原因

不倒翁之所以不会倒,就是因为不倒翁的整个身体都很轻,只是在它的底部有一个较重的东西(铅块或铁块)因此,它的重心很低.另一方面,不倒翁的底面积大而圆滑,容易摆动.当不翁向一边倾斜时,由于支点(和桌面的接触点)发生变动,重心和支点就不再在同一条重垂线上了,这时重力的作用会使它绕支点摆动,使不倒翁恢复正常的位置.不倒翁倾斜的程度越大,支点离开重心的水平距离就越大,重力产生的摆动效果将随着增加,使它恢复原位的趋势也就越显著,所以不倒翁是永远推不倒的.

不倒翁相关特征

形体结构

不倒翁为空心壳体,重量很轻;下半身是一个实心的半球体,重量较大,不倒翁的重心就在半球体之内。下面的半球体和支承面之间有一个接触点,这个半球体在支承面上滚动时,接触点的位置就要发生改变。不倒翁始终用一个接触点站立在支承面上,它永远是一个独脚体。

稳定性

不倒翁在受到外力的作用时,就要失去平衡,而在外力去除后,不倒翁能自行回复到平衡状态,这说明不倒翁具有一种抵抗外力干扰保持平衡的能力,这就是平衡的稳定性。这种抵抗干扰保持平衡的能力的形成,应该从不倒翁的受力情况来看。

受力情况

第一,不倒翁平衡的受力情况。不倒翁在桌面上,受到两个外力的作用:一个是重力G,地球对不倒翁的吸引力;另一个是支持力,桌面对牛球体的反作用力。根据物体的平衡条件,只要这两个力大小相等、方向相反、作用在一条直线上,不倒翁就能够保持平衡的状态。

第二,不倒翁倾斜的受力情况。不倒翁倾斜时受到两个力矩的作用,我们称外力的作用为干扰,外力形成干扰力矩;另一个叫抵抗力矩,由自身的重力形成。本来不倒翁是

直立的,由于外力的作用,外力对不倒翁与制成面的接触点产生力矩,使不倒翁倾斜,打破原来的平衡。此外,本来重力是不产生力矩的,因为本来不倒翁是直立的,重力的作用线和支点位于同一直线上,力矩为零。由于外力的作用,不倒翁倾斜,半球体向一侧滚动,接触点随之移动,形成了新的接触点,即形成了新的支点,此时重力的作用线和原支点不在同一直线上,因而形成力矩,这就是抵抗力矩。正是由于抵抗力矩的形成和发展,抵抗和制止了外力的干扰作用。抵抗力矩的方向和干扰力矩的方向正好相反,同时随着不倒翁倾斜的角度不断增大,重心作用线的偏移量也不断增大,抵抗力矩的量值也不断增大,当抵抗力矩等于干扰力矩时,不倒翁就进入新的平衡状态--倾斜的平衡状态,此时外力的干扰作用也就宣告停止。由此可知,不倒翁受到外力干扰后,原有的平衡破坏了,但新的平衡随之形成,不倒翁可以接续地保持平衡,虽然平衡的方式不同,但平衡的本质不变,这种便是动态平衡。第三,不倒翁复原的受力情况。从势能角度考虑,势能低的物体比较稳定,物体一定会向着势能低的状态变化。当不倒翁倒下的时候,由于集中了大部分重心的底座被抬高,造成势能增加,所以不倒翁要回复原来的位置。从杠杆原理来说,不倒翁倒下时,重心的作用点一直处于端部,不管支点在哪里,虽然底座的力臂较短,但是力矩=力_力臂,不倒翁还是会因为底座那头力矩大而回复到原来位置。此外,不倒翁底部为圆形,摩擦力小,便于不倒翁回到原来位置。

在以上的整个过程中,建立新的平衡是其中主要的问题,因为只有如此才能抵制外力的干扰,而回复原有的平衡则是次要问题,因为此时外力的干扰已经去除。在整个过程中不倒翁始终保持平衡的属性,这便是"平衡的稳定性"。

力学原理

综上所述,这个原理的要点在于:使重力的作用线偏离支点,使重力对支点产生力矩,即抵抗力距。由于不倒翁倾斜的角度不断增大,重力作用线的偏移量随之增大,抵抗力矩也随之增大,最终实现和外力力矩的平衡,不倒翁抵抗外力干扰、保持平衡的能力就是这样形成的。

不倒翁的原理介绍

上轻下重的物体比较稳定,也就是说重心越低越稳定。当不倒翁在竖立状态处于平衡时,重心和接触点的距离最小,即重心最低。偏离平衡位置后,重心总是升高的。因此,这种状态的平衡是稳定平衡。所以不倒翁无论如何摇摆,总是不倒的。再比如像我们在科技馆看到的“锥体上滚”实验,也是这个道理,由于锥体的形状和两边轨道的形状,使它的重心在下降,但看起来好像在上升,向上滚与生活中的事实不符合。但它只是一种假像,看到它的本质,还是重心降低了,因此重心越低越稳定。在生活中为增加物体的稳定性,我们常采用加重下面的重量,如电扇底座、话筒架、公共汽车站牌等。

利用重心这种特点,还可以做许多有趣的实验和解释一些现象。如可以做一个斤头虫,把一粒胶囊打开,装入一个小滚珠,即可来回翻跟头。我们常见一个盒子只放在桌上一点,但却不掉下去,这是因为盒子靠桌子的一头,是"重心"所在,所以盒子悬空,但不掉下来。走钢丝的杂技演员,手持平衡棒也是为降低重心,达到平衡的目的。一、力学原理

最常见的不倒翁是纸身、泥底,即用纸浆灌模或用废纸粘糊成形,再用泥土 制成半圆形的底座,将二者粘合好之后,再在外表糊上净纸,施以彩绘而成;也有的用木头做底,底部中心固定上铁块和小石子;还有用小葫芦挖净内瓤,内部灌铅做成的"葫芦";今天还有用鸡蛋壳、旧乒乓球做成的小不倒翁。所有的这些不倒翁都有相同的特点:上半身为空心壳体、下半身是一个实心的半球体,底部为圆形。这些特点使它们具有了一致的基本力学结构,都能达到“不倒”的效果。

不倒翁为什么不会倒

无论什么东西,重的一头放得越低,支撑面越大,它就越稳,越不容易倒。工厂在生产不倒翁的时候,总是把不倒翁的下半部分做得很重,底部做成圆的,而且面积很大。所以不论你怎么推,它都会回到原来的位置,永远都不会倒的。

拓展

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。细心观察,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,它又是怎么保持平衡的呢?

受到外力后,不倒翁倾斜,并受到两个力矩的作用,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,于是不倒翁便因为底座这边较大的力矩而恢复成原始状态,即直立状态。此外,因为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,那么再回到最初的原始状态,就不成问题了。整个这种过程,即不倒翁始终保持平衡的属性,被称为“平衡的稳定性”。

用简单点的白话来说,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”。


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