奇妙無比的“重心”

王寶琪

不少同學都玩過陀螺，在玩的過程中，很多同學都產(chǎn)生了相同的疑問：陀螺為什么旋轉時就直立不倒，而靜止時就站立不住呢？原來，陀螺旋轉作圓周運動時，各種力的作用使陀螺的重心保持在中心軸上不變，沒有重心的偏移當然就不會倒；而靜止時，重心偏向一邊不在中心軸上，當然就會倒向一方了。

你知道“馬踏飛燕”嗎？它是一座我國東漢時期的銅奔馬，是利用重心原理設計制作的藝術精品。只見它上面的駿馬，膘肥身健，體形勻稱，鬃毛整齊，四蹄堅韌有力。它的頭微微后仰而稍向左歪，尾巴向后揚起，一只腳落在一只飛翔的燕子上。它姿態(tài)動感強烈，同時也保持著精確的平衡。這座銅奔馬的重心顯然經(jīng)過了極其周密的計算，它全身的重量穩(wěn)穩(wěn)地集中在右后蹄上。

怎樣才能使銅奔馬保持平衡呢？獨具匠心的設計者有意使馬的頭和頸往后收縮，讓重心盡量后移；同時使踏燕的后蹄盡量前伸，讓馬的支撐點和重心正好在一條垂直線上。再加上向前后伸出的兩條腿和揚起的尾巴，不僅使馬在整體上保持平衡，而且使馬的造型更加優(yōu)美。

“馬踏飛燕”是漢代藝術家智慧、想象力、浪漫主義情懷和高超藝術技巧的結晶，是我國古代雕塑藝術的稀世之寶?！榜R踏飛燕”具有的蓬勃的生命力和一往無前的氣勢，更是中華民族的象征。設計者想象力之卓越、構思之新穎以及銅鑄工藝運用之巧妙，都令人驚嘆不已。

這是人們利用重心的實例。那么什么是重心呢？物理上的重心是指物體各部分所受重力的合力的作用點。

質(zhì)量均勻分布的物體，重心的位置只跟物體的形狀有關。有規(guī)則形狀的物體，它的重心就在幾何中心上，例如，均勻細直棒的重心在棒的中點，均勻球體的重心在球心，均勻圓柱的重心在軸線的中點。不規(guī)則物體的重心位置除跟物體的形狀有關外，還跟物體本身的質(zhì)量分布有關。載重汽車的重心隨著裝貨多少和裝載位置而變化，起重機的重心隨著提升物體的重量和高度而變化。

不規(guī)則物體的重心，可以用懸掛法或支撐法來確定物體的重心。懸掛法的操作方法，是在物體上任意找一點，用繩懸掛，畫出物體靜止后的重力線，同理，再找一點懸掛，再畫一條重力線，這兩條重力線的交點就是這個物體的重心。支撐法是用細棒作一個支點支撐物體，不斷變化位置，越穩(wěn)定的位置，越接近重心。

有趣的是，雖然理論上講物體的重心一般在這個物體上面，但也有例外，例如均勻的圓環(huán)，它的重心就在圓環(huán)的圓心上，而不在圓環(huán)的任何一個點上，可這個“圓心”恰恰是空的，什么也沒有！

巧法找重心

接下來，讓我們一起動手，用懸掛法來找找形狀不規(guī)則的物體的重心吧！

1.準備材料

紙板一張，線一根，圖釘一枚，墊圈一個，錐子、剪刀、直尺各一把。

2.實驗過程

①將紙板剪成一個不規(guī)則的形狀，并用錐子在紙板的邊緣隨意扎幾個小孔。

②將線的一端綁在墊圈上，另一端綁在圖釘上，然后將圖釘穿過紙板上的一個小孔，輕輕地將紙板釘在墻上。當紙板靜止后，用筆和直尺沿著線的位置在紙板上畫出一條直線。

③依次用圖釘穿過另外三個孔，重復以上步驟，最后紙板上的4條直線交于一點，然后把紙板放在你的食指上，指頭對準4條直線的交點。這時你會發(fā)現(xiàn)，這張形狀不規(guī)則的紙板在你的食指上能保持平衡，不會掉下來。

3.科學奧秘

紙板上4條直線的交點就是紙板的重心，重心就是重力的平衡點。事實上，物體的重心就是物體受到全部重力的聚集點。如果在重心下放一個支撐物（如手指），物體便可以保持平衡。當然，有規(guī)則的物體找起重心來就容易些了，比如找一本書的重心，先將書的一角（A點）提起，靜止后，在書面上從A點起畫一條垂直于水平地面的線，再提起另一角（B點），靜止后，從B點起畫一條垂直于水平地面的線，兩線交與一點，這一點就是這本書的重心了。

探尋欹器自翻的奧秘

礦上的翻斗車能自行翻身傾倒礦石，是什么魔力使它具有這種功能呢？原來它的制作原理，來源于我國古代的一種叫欹（qī）器的灌溉汲器。欹器有一種奇妙的本領：未裝水時口子略向前傾，待灌入少量水后，罐身就漸漸豎直了起來，而一旦灌滿水，罐身就會一下子傾覆過來，把水倒凈，然后又恢復到原來的狀態(tài)，等待再次灌水。怎么樣，有意思吧？依照下面的步驟，你也可以做一個類似的欹器哦！

1.準備材料

塑料杯一只，盆子一個，自行車輻條一根，粗鐵絲一段，以及水、鉗子、錐子等。

2.精心制作

在塑料杯中部上方一點的杯壁上鉆2個孔，使兩孔的連線稍稍偏離孔所在平面的圓心。再將自行車的輻條緊緊地插入杯壁的兩個小孔中，作為容器的轉軸。

用鐵絲做一個有凹槽的支架，把杯子的轉軸架在支架頂端的凹槽內(nèi)，把盆子放在杯子下方，這樣，欹器也就完成了。

3.實驗過程

制作好后，開始灌水。才開始灌水時，水面在轉軸之下，杯子就會豎直起來；當繼續(xù)灌水，水面超過轉軸一定高度時杯子就會一下子傾覆過來；杯子里的水倒盡后，杯子又恢復到最初狀態(tài)。

4.科學奧秘

灌水前，杯子的重心在杯子中間偏向一側的位置，杯子微橫，杯口略向前傾；裝了一部分水后，重心降到杯子的下部，于是杯子就豎直了起來；當水漸漸裝滿時，重心上移，杯子就傾倒了下去。是不是很有趣很好玩??？其實這也是重心在發(fā)揮它的魔力！

（編輯 孫世奇）