为什么不倒翁不倒呢?不倒翁不倒的原因

   日期:2015-11-30     来源:科普中国    浏览:7048    评论:0    
核心提示:为什么不倒翁不会倒?不倒翁是儿时的玩伴,大家都可能亲自制作过,好玩可爱的不倒翁,但很多人就疑问为什么不倒翁不会倒,压下去又起来呢?到底是什么原理让不倒翁不倒呢?
  【中外玩具网讯】为什么不倒翁不会倒?不倒翁是儿时的玩伴,大家都可能亲自制作过,好玩可爱的不倒翁,但很多人就疑问为什么不倒翁不会倒,压下去又起来呢?到底是什么原理让不倒翁不倒呢?下面,随着中外玩具网小编一起去来解开困惑的谜题吧!
 
  不倒翁的原理很简单,早在我国母系社会时期的半坡人便已能熟练运用。他们发明了一种提水壶,学名尖底瓶,是当时的汲水工具。将空的瓶子用绳子系住双耳,然后抛入水中,因为重力而自动下沉,但是注满水后,又因为重心转移,瓶口朝上竖起,此时用绳将瓶拉倒岸边,从而实现汲水的功能。
 
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  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,并快速得到孩童的喜爱与追捧。
 
  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?我们最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。
 
  为什么这样就不会倒了呢?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。

 
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  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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