小玩具里藏科學

本刊綜合

自動“下樓梯”的彩虹圈

彩虹圈是一種螺旋彈簧玩具，多采用塑料材質，色彩斑斕，仿佛穿著“彩虹衣”，非常好看。

玩法：

彩虹圈不僅可以拉伸著玩，更奇妙的是，我們把它的兩個端面分別置于樓梯的兩級臺階上，它在高處的端部會突然躍起，彎曲，落到低處臺階，然后另一端部躍起，重復這個過程，好像在翻著筋斗“下樓梯”。

小竅門：樓梯臺階高度要合適，彩虹圈才能順利“下樓梯”。臺階不能比彩虹圈高太多，也不能太寬，否則彩虹圈中途會“摔倒”或停下來。

原理不簡單：

能量可以被儲存，不同形式的能量之間還可以相互轉化。把鐵球放在山坡上，它就有從高處往下滾的趨勢，且高度越高，能量越大，這種能量是重力勢能。當它真正開始往下滾時，重力勢能變成動能，使其滾得越來越快。當它到達平地后，不再往下滾，能量全部用光。

彩虹圈不僅“下樓梯”時可以借助重力勢能和動能之間的轉化，它的彈簧結構還擁有彈性勢能，無論你拉扯它還是擠壓它，它都有往回彈的趨勢。

彩虹圈的能量在重力勢能、動能與彈性勢能之間不斷轉化，直到彩虹圈落到平地，重力勢能用完，它才會因為地面的阻力而停下來。

當彩虹圈被放在階梯高處時，它存儲了重力勢能，“下樓梯”時，重力勢能一點點轉化成動能。下一層臺階后，動能會把彩虹圈壓緊，這時動能轉化成彈性勢能。彈性勢能讓彩虹圈彈起，繼續(xù)運動，落向下一層臺階。

隔球彈球的牛頓擺

牛頓擺是一種桌上玩具，由架子、金屬球和吊繩組成。5 個完全相同的金屬球由吊繩吊在架子上，彼此緊密排列。

玩法：

你拿起最右側的球，讓它落下并撞到旁邊的球，這時，只有最左側的球會被彈飛，產(chǎn)生“隔山打?！钡男Ч?。

當最右側的兩個球同時擺動并撞擊其他球時，最左側的兩個球會被彈飛。

原理不簡單：

能量可以在物體間傳遞。

被拿起后落下的第一個球擁有動能，當它碰到第二個球時，就把自己的動能傳遞給第二個球，變成了第二個球的能量。第二個球還沒來得及移動，就把能量傳給了第三個球，第三個球又把能量傳給第四個球。當能量傳到第五個球時，這個球沒辦法把能量傳遞出去，只能把能量轉化成動能，擺了起來。

第五個球擺起后又會因為重力而落下，撞到第四個球，這時能量又沿著第四個球、第三個球、第二個球傳回第一個球，再次讓第一個球擺起來。

不過，最側邊的球不會一直擺來擺去。由于吊繩在擺動中摩擦生熱，球也因碰撞發(fā)出聲響，能量漸漸轉化成熱量和聲能，當球的能量被轉化完后，球就會停止擺動。

旋轉時不倒的陀螺

陀螺是大家十分熟悉的玩具，從前多用木頭制成，現(xiàn)在多為塑料或鐵制，上半部分圓鼓鼓的，下半部分尖尖的，樣子有些可愛。

玩法：

我們給陀螺施力，陀螺便會在地面上旋轉，有時還邊轉邊走。旋轉時，陀螺是不會倒的，一旦倒下，旋轉立馬停止。

原理不簡單：

陀螺是一種神奇的玩具，它的支撐點很小，但旋轉時不會倒下。

在旋轉時，陀螺不僅圍繞自身的軸線自轉，還圍繞一個垂直軸做錐形運動，這種現(xiàn)象稱為“進動”，也叫作“旋進”。也就是說，陀螺不是垂直立于地面上，而是向地面略微傾斜。

陀螺重力的力矩不為零，而陀螺的進動角動量可以平衡重力矩的作用，所以陀螺在旋轉時不會倒向地面。

陀螺自轉的速度決定陀螺擺動角的大小。陀螺轉得越慢，擺動角越大，穩(wěn)定性越差;轉得越快，擺動角越小，穩(wěn)定性就越好。

利用高速旋轉來保持穩(wěn)定的這種陀螺原理已經(jīng)被廣泛應用于我們的生活中，比如，在表演時，芭蕾舞演員需要踮起腳尖，才能像陀螺一樣不停地旋轉，否則根本無法用腳尖長時間支撐身體的重量，也不可能保持自身平衡。