重心與平衡

實(shí)驗(yàn)器材

實(shí)驗(yàn)步驟

1

拿出一支拖把（也可以是球棒或是長(zhǎng)棍類的物品），雙手伸出食指，把拖把平穩(wěn)地放在伸出的食指上面，我們?cè)囍页鏊闹匦摹?/p>

2

閉上眼睛，將雙手慢慢往中間移動(dòng)，直到雙手食指碰到彼此。

3

拿一根細(xì)繩，將在拖把上找到平衡點(diǎn)的地方用細(xì)繩綁一圈，再將拖把吊起來(lái)看看，拖把是不是呈現(xiàn)水平狀態(tài)呢？

想想看，拖把上綁細(xì)繩的位置代表著什么呢？

4

現(xiàn)在來(lái)做一個(gè)神奇的平衡玩具吧！準(zhǔn)備兩把叉子與一個(gè)軟木塞。

5

將兩把叉子對(duì)稱插進(jìn)軟木塞的兩側(cè)。

6

另外準(zhǔn)備一個(gè)鉆了洞的橡皮塞與一根竹筷，將竹筷插進(jìn)橡皮塞的洞中作為平衡玩具的平臺(tái)。

7

將叉子與軟木塞的組合輕輕放在細(xì)細(xì)的竹筷上。哇！叉子竟然以奇妙的角度站在竹筷上了！

如果沒(méi)有成功，可以試著再調(diào)整叉子的角度，慢慢找出能夠平衡的位置，相信你一定可以成功的！

圖解：重心與平衡

拖把的重心在哪里？我們可以在拖把上綁上細(xì)繩，找出能夠使拖把呈現(xiàn)水平狀態(tài)的支點(diǎn)，利用懸吊法來(lái)找出重心。找出重心后我們發(fā)現(xiàn)拖把的重心不是在正中央，而是在偏向拖把頭的部分，畢竟拖把頭的部分是比較重的。從杠桿原理知道，較重的一邊距離支點(diǎn)的力臂距離要比較短，才能達(dá)到平衡，因此拖把的重心才會(huì)偏向拖把頭那側(cè)。

為什么叉子與軟木塞的組合可以用如此奇妙的平衡方式穩(wěn)穩(wěn)站在竹筷上呢？不管是一個(gè)物品還是數(shù)個(gè)物品組合在一起，只要把重心的位置放在要立足的支點(diǎn)上，無(wú)論是多么奇特的擺設(shè)或姿勢(shì)，都可以讓物品達(dá)到平衡狀態(tài)。

原來(lái)如此

一個(gè)物體的每個(gè)部分都受到重力的作用，我們將物體上的這些重力統(tǒng)合起來(lái)，視為集中于物體上的一個(gè)點(diǎn)，這個(gè)點(diǎn)就稱為重心。重心是物理學(xué)上的一種假設(shè)，所有物體的重量不是只在一個(gè)點(diǎn)上，假設(shè)重心只是為了方便計(jì)算與測(cè)量，也可以說(shuō)重心是物體重量的代表。

我們也可以利用杠桿原理來(lái)思考，先以一根細(xì)長(zhǎng)的棍子舉例，如果要讓這根棍子達(dá)到平衡，必定是抓住棍子的中間那個(gè)點(diǎn)棍子才不會(huì)歪向一邊，這個(gè)點(diǎn)就是棍子的重心。如果在這個(gè)重心的位置綁上細(xì)繩懸吊，棍子是不是呈現(xiàn)水平狀態(tài)？綁上細(xì)繩的位置就是這根棍子杠桿中的支點(diǎn)，也就是說(shuō)，如果找到棍子中呈現(xiàn)水平狀態(tài)的支點(diǎn)位置，那這個(gè)支點(diǎn)位置就是棍子的重心。

如果要找重心的物品是方形的，甚至是不規(guī)則形狀的，我們可以把它想成是由無(wú)限多根棍子杠桿組合起來(lái)的，每個(gè)杠桿都有個(gè)平衡的支點(diǎn)，所有杠桿的平衡支點(diǎn)統(tǒng)合起來(lái)也會(huì)有一個(gè)點(diǎn)代表所有支點(diǎn)的位置，那這個(gè)點(diǎn)就是整個(gè)物體的重心了。

如果是有規(guī)則形狀的物體，如三角形、正方形，可以利用數(shù)學(xué)公式來(lái)找出重心，不過(guò)生活中有許多不規(guī)則的物品，我們可以利用綁上細(xì)繩讓物體呈現(xiàn)水平的方法來(lái)找出重心位置，這個(gè)方法稱為懸吊法。

那么特技演員們又是如何利用重心來(lái)達(dá)成平衡的呢？要維持平衡，重心必須在支點(diǎn)上。我們可以視特技演員腳踩的地方為整個(gè)平衡的支點(diǎn)，只要所有物品的重心最后都落在支點(diǎn)上，即使物品看起來(lái)再怎么搖搖欲墜，也能保持平衡的狀態(tài)。

一點(diǎn)就通

不會(huì)倒的不倒翁

玩過(guò)不倒翁嗎？不倒翁是最為人熟知的一種平衡玩具。不管怎么將不倒翁推倒、翻倒、踢倒，它都可以自己站起來(lái)，因此被許多人引喻為鍥而不舍、努力不懈精神的象征，勉勵(lì)人們力爭(zhēng)上游，即使失敗也要像不倒翁一樣再站起來(lái)。

那么，從科學(xué)的角度來(lái)說(shuō)，不倒翁不會(huì)倒的原理是什么呢？其實(shí)就是利用重心與支點(diǎn)的位置來(lái)達(dá)成平衡。你會(huì)發(fā)現(xiàn)不倒翁的設(shè)計(jì)幾乎都是頭輕腳重—頭部細(xì)小、輕便，底部圓弧狀非常寬大且厚重，這種設(shè)計(jì)的目的就是讓不倒翁的重心下移，重心越往下移就會(huì)越穩(wěn)。

如下圖所示，當(dāng)不倒翁靜止時(shí)，重心垂直落在地面的支點(diǎn)達(dá)成平衡。如果推倒不倒翁，重心雖然不會(huì)移動(dòng)，但是不倒翁在地面的支點(diǎn)卻會(huì)往推倒的方向偏移。由于不倒翁的重心位置在推倒方向的另一側(cè)，重心提供的重力又會(huì)給不倒翁施加一段力，使不倒翁往推倒方向的另一側(cè)傾倒。等推倒的力道消失，不倒翁利用重心提供的力再重新站起來(lái)！這不是因?yàn)榕Σ恍傅木瘢橇W(xué)原理使不倒翁自然而然站起來(lái)了！

像不倒翁一樣能夠永遠(yuǎn)保持站立的平衡，稱為穩(wěn)定平衡。不倒翁不會(huì)倒的關(guān)鍵在于重心的力永遠(yuǎn)在推倒的反向側(cè)，不倒翁的重心必須足夠低才可行。其他如高腳杯，由于重心位置比較高，推倒會(huì)使重心在推倒方向的同一側(cè)，反而加劇推倒的力道，因此一推就會(huì)倒下無(wú)法站起來(lái)，這種又稱為不穩(wěn)定平衡。

選自《小牛頓實(shí)驗(yàn)王力的應(yīng)用》，化學(xué)工業(yè)出版社，本刊被授予選載權(quán)。