不倒翁為什么不會(huì)倒的原因
用簡(jiǎn)單點(diǎn)的白話來說，就是：上輕下重的物體比較穩(wěn)定，即重心越低越穩(wěn)定。所以不論不倒翁如何“跌倒”，它總會(huì)再次“爬起來”。一起來看看不倒翁為什么不會(huì)倒的原因，歡迎查閱!
不倒翁為什么不會(huì)倒
大家都有這樣的經(jīng)驗(yàn)：平放的磚頭很穩(wěn)定，把磚頭豎立起來就容易翻倒;瓶子里裝了半瓶水穩(wěn)定，空瓶子或是裝滿水的瓶子就比較容易翻倒。從上面兩個(gè)事例來看，要使一個(gè)物體穩(wěn)定，不易翻倒，需要滿足兩個(gè)條件：第一，它的底面積要大;第二，它的重心要低。物體的重心可以認(rèn)為是其所受重力的合力作用點(diǎn)。
對(duì)任何物體來說，如果它的底面積越大，重心越低，它就越穩(wěn)，越不容易翻倒。例如：塔形建筑物總是下面大上面尖;裝運(yùn)貨物時(shí)，總是把重的東西放在下面，輕的東西放在上面。
了解了這些知識(shí)，我們?cè)賮砜纯床坏刮?。不倒翁的整個(gè)身體都很輕，只是在它的底部有一塊較重的鉛塊或鐵塊，因此它的重心很低;另一方面，不倒翁的底面大而圓滑，容易擺動(dòng)。當(dāng)不倒翁向一邊傾斜時(shí)，由于支點(diǎn)(不倒翁和桌面的接觸點(diǎn))發(fā)生變動(dòng)，重心和支點(diǎn)就不在同一條鉛垂線上，這時(shí)候，不倒翁在重力的作用下會(huì)繞支點(diǎn)擺動(dòng)，直到恢復(fù)正常的位置。不倒翁傾斜的程度越大，重心離開支點(diǎn)的水平距離就越大，重力產(chǎn)生的擺動(dòng)效果也越大，使它恢復(fù)到原位的趨勢(shì)也就越顯著，所以不倒翁是永遠(yuǎn)推不倒的。
像不倒翁這樣，原來靜止的物體在受到微小擾動(dòng)后能自動(dòng)恢復(fù)原位的平衡狀態(tài)，在物理學(xué)上叫做穩(wěn)定平衡。而像乒乓球、足球、籃球等球狀物體，在受到外力后，可以在任何位置繼續(xù)保持平衡，這種狀態(tài)稱為隨遇平衡。處于隨遇平衡的物體，重心和支點(diǎn)始終在同一條鉛垂線上，而且重心的高度保持不變。橫放在桌上的鉛筆，就是一種隨遇平衡，不管它滾到哪兒，重心的高度是不變的。
不倒翁不倒的原因
不倒翁之所以不會(huì)倒，就是因?yàn)椴坏刮痰恼麄€(gè)身體都很輕，只是在它的底部有一個(gè)較重的東西(鉛塊或鐵塊)因此,它的重心很低.另一方面,不倒翁的底面積大而圓滑,容易擺動(dòng).當(dāng)不翁向一邊傾斜時(shí),由于支點(diǎn)(和桌面的接觸點(diǎn))發(fā)生變動(dòng),重心和支點(diǎn)就不再在同一條重垂線上了,這時(shí)重力的作用會(huì)使它繞支點(diǎn)擺動(dòng),使不倒翁恢復(fù)正常的位置.不倒翁傾斜的程度越大,支點(diǎn)離開重心的水平距離就越大,重力產(chǎn)生的擺動(dòng)效果將隨著增加,使它恢復(fù)原位的趨勢(shì)也就越顯著,所以不倒翁是永遠(yuǎn)推不倒的.
不倒翁相關(guān)特征
形體結(jié)構(gòu)
不倒翁為空心殼體，重量很輕;下半身是一個(gè)實(shí)心的半球體，重量較大，不倒翁的重心就在半球體之內(nèi)。下面的半球體和支承面之間有一個(gè)接觸點(diǎn)，這個(gè)半球體在支承面上滾動(dòng)時(shí)，接觸點(diǎn)的位置就要發(fā)生改變。不倒翁始終用一個(gè)接觸點(diǎn)站立在支承面上，它永遠(yuǎn)是一個(gè)獨(dú)腳體。
穩(wěn)定性
不倒翁在受到外力的作用時(shí)，就要失去平衡，而在外力去除后，不倒翁能自行回復(fù)到平衡狀態(tài)，這說明不倒翁具有一種抵抗外力干擾保持平衡的能力，這就是平衡的穩(wěn)定性。這種抵抗干擾保持平衡的能力的形成，應(yīng)該從不倒翁的受力情況來看。
受力情況
第一，不倒翁平衡的受力情況。不倒翁在桌面上，受到兩個(gè)外力的作用：一個(gè)是重力G，地球?qū)Σ坏刮痰奈?另一個(gè)是支持力，桌面對(duì)牛球體的反作用力。根據(jù)物體的平衡條件，只要這兩個(gè)力大小相等、方向相反、作用在一條直線上，不倒翁就能夠保持平衡的狀態(tài)。
第二，不倒翁傾斜的受力情況。不倒翁傾斜時(shí)受到兩個(gè)力矩的作用，我們稱外力的作用為干擾，外力形成干擾力矩;另一個(gè)叫抵抗力矩，由自身的重力形成。本來不倒翁是
直立的，由于外力的作用，外力對(duì)不倒翁與制成面的接觸點(diǎn)產(chǎn)生力矩，使不倒翁傾斜，打破原來的平衡。此外，本來重力是不產(chǎn)生力矩的，因?yàn)楸緛聿坏刮淌侵绷⒌模亓Φ淖饔镁€和支點(diǎn)位于同一直線上，力矩為零。由于外力的作用，不倒翁傾斜，半球體向一側(cè)滾動(dòng)，接觸點(diǎn)隨之移動(dòng)，形成了新的接觸點(diǎn)，即形成了新的支點(diǎn)，此時(shí)重力的作用線和原支點(diǎn)不在同一直線上，因而形成力矩，這就是抵抗力矩。正是由于抵抗力矩的形成和發(fā)展，抵抗和制止了外力的干擾作用。抵抗力矩的方向和干擾力矩的方向正好相反，同時(shí)隨著不倒翁傾斜的角度不斷增大，重心作用線的偏移量也不斷增大，抵抗力矩的量值也不斷增大，當(dāng)?shù)挚沽氐扔诟蓴_力矩時(shí)，不倒翁就進(jìn)入新的平衡狀態(tài)--傾斜的平衡狀態(tài)，此時(shí)外力的干擾作用也就宣告停止。由此可知，不倒翁受到外力干擾后，原有的平衡破壞了，但新的平衡隨之形成，不倒翁可以接續(xù)地保持平衡，雖然平衡的方式不同，但平衡的本質(zhì)不變，這種便是動(dòng)態(tài)平衡。第三，不倒翁復(fù)原的受力情況。從勢(shì)能角度考慮，勢(shì)能低的物體比較穩(wěn)定，物體一定會(huì)向著勢(shì)能低的狀態(tài)變化。當(dāng)不倒翁倒下的時(shí)候，由于集中了大部分重心的底座被抬高，造成勢(shì)能增加，所以不倒翁要回復(fù)原來的位置。從杠桿原理來說，不倒翁倒下時(shí)，重心的作用點(diǎn)一直處于端部，不管支點(diǎn)在哪里，雖然底座的力臂較短，但是力矩=力_力臂，不倒翁還是會(huì)因?yàn)榈鬃穷^力矩大而回復(fù)到原來位置。此外，不倒翁底部為圓形，摩擦力小，便于不倒翁回到原來位置。
在以上的整個(gè)過程中，建立新的平衡是其中主要的問題，因?yàn)橹挥腥绱瞬拍艿种仆饬Φ母蓴_，而回復(fù)原有的平衡則是次要問題，因?yàn)榇藭r(shí)外力的干擾已經(jīng)去除。在整個(gè)過程中不倒翁始終保持平衡的屬性，這便是"平衡的穩(wěn)定性"。
力學(xué)原理
綜上所述，這個(gè)原理的要點(diǎn)在于：使重力的作用線偏離支點(diǎn)，使重力對(duì)支點(diǎn)產(chǎn)生力矩，即抵抗力距。由于不倒翁傾斜的角度不斷增大，重力作用線的偏移量隨之增大，抵抗力矩也隨之增大，最終實(shí)現(xiàn)和外力力矩的平衡，不倒翁抵抗外力干擾、保持平衡的能力就是這樣形成的。
不倒翁的原理介紹
上輕下重的物體比較穩(wěn)定，也就是說重心越低越穩(wěn)定。當(dāng)不倒翁在豎立狀態(tài)處于平衡時(shí)，重心和接觸點(diǎn)的距離最小，即重心最低。偏離平衡位置后，重心總是升高的。因此，這種狀態(tài)的平衡是穩(wěn)定平衡。所以不倒翁無論如何搖擺，總是不倒的。再比如像我們?cè)诳萍拣^看到的“錐體上滾”實(shí)驗(yàn)，也是這個(gè)道理，由于錐體的形狀和兩邊軌道的形狀，使它的重心在下降，但看起來好像在上升，向上滾與生活中的事實(shí)不符合。但它只是一種假像，看到它的本質(zhì)，還是重心降低了，因此重心越低越穩(wěn)定。在生活中為增加物體的穩(wěn)定性，我們常采用加重下面的重量，如電扇底座、話筒架、公共汽車站牌等。
利用重心這種特點(diǎn)，還可以做許多有趣的實(shí)驗(yàn)和解釋一些現(xiàn)象。如可以做一個(gè)斤頭蟲，把一粒膠囊打開，裝入一個(gè)小滾珠，即可來回翻跟頭。我們常見一個(gè)盒子只放在桌上一點(diǎn)，但卻不掉下去，這是因?yàn)楹凶涌孔雷拥囊活^，是"重心"所在，所以盒子懸空，但不掉下來。走鋼絲的雜技演員，手持平衡棒也是為降低重心，達(dá)到平衡的目的。一、力學(xué)原理
最常見的不倒翁是紙身、泥底，即用紙漿灌?；蛴脧U紙粘糊成形，再用泥土 制成半圓形的底座，將二者粘合好之后，再在外表糊上凈紙，施以彩繪而成;也有的用木頭做底，底部中心固定上鐵塊和小石子;還有用小葫蘆挖凈內(nèi)瓤，內(nèi)部灌鉛做成的"葫蘆";今天還有用雞蛋殼、舊乒乓球做成的小不倒翁。所有的這些不倒翁都有相同的特點(diǎn)：上半身為空心殼體、下半身是一個(gè)實(shí)心的半球體，底部為圓形。這些特點(diǎn)使它們具有了一致的基本力學(xué)結(jié)構(gòu)，都能達(dá)到“不倒”的效果。
不倒翁為什么不會(huì)倒
無論什么東西，重的一頭放得越低，支撐面越大，它就越穩(wěn)，越不容易倒。工廠在生產(chǎn)不倒翁的時(shí)候，總是把不倒翁的下半部分做得很重，底部做成圓的，而且面積很大。所以不論你怎么推，它都會(huì)回到原來的位置，永遠(yuǎn)都不會(huì)倒的。
拓展
倒翁上半身是一個(gè)空心殼體，重量很輕;下半身是一個(gè)實(shí)心的半球體，重量相對(duì)較大，所以不倒翁的重心是在下面較重的半球體之內(nèi)。而半球體與其支承面之間只有一個(gè)支點(diǎn)，當(dāng)半球體在支承面上滾動(dòng)時(shí)，支點(diǎn)的位置也隨之發(fā)生改變。細(xì)心觀察，我們就可以發(fā)現(xiàn)，不倒翁始終都是用這么一個(gè)支點(diǎn)立于支承面之上的，即它什么時(shí)候都是一個(gè)獨(dú)腳體。
雖然獨(dú)腳，但是在不受外力的情況下，它所受的地球引力和地面對(duì)它的支持力是大小相等、方向相反、作用在一條直線上的一對(duì)平衡力，所以它可以保持平衡。那么當(dāng)有外力作用的時(shí)候，它又是怎么保持平衡的呢?
受到外力后，不倒翁傾斜，并受到兩個(gè)力矩的作用，一個(gè)是外力的干擾力矩，另一個(gè)則是不倒翁自身重力形成的抵抗力矩。根據(jù)杠桿原理，當(dāng)不倒翁倒下時(shí)，重心的作用點(diǎn)一直處于端部，而且不管此時(shí)的支點(diǎn)在哪里，雖然底座的力臂較短，但是力矩卻大，于是不倒翁便因?yàn)榈鬃@邊較大的力矩而恢復(fù)成原始狀態(tài)，即直立狀態(tài)。此外，因?yàn)椴坏刮痰牡撞繛閳A形，所受的摩擦力小，也便于它回到原始狀態(tài)。
在這個(gè)過程中，新平衡的建立是重中之重，因?yàn)橹挥兄匦陆⑵胶?，才能消除外力的影?既然外力影響已經(jīng)去除，那么再回到最初的原始狀態(tài)，就不成問題了。整個(gè)這種過程，即不倒翁始終保持平衡的屬性，被稱為“平衡的穩(wěn)定性”。
用簡(jiǎn)單點(diǎn)的白話來說，就是：上輕下重的物體比較穩(wěn)定，即重心越低越穩(wěn)定。所以不論不倒翁如何“跌倒”，它總會(huì)再次“爬起來”。
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