听说你的平衡感很好?
给你一张白纸剪出的小鸟
如何让它仅靠鸟嘴就平衡在杯子边缘,
甚至在你的指尖上“飞翔”?答案其实比你想的还要简单。
实验器材
卡纸、笔、剪刀、回形针若干、所标杯
实验步骤
将硬质卡纸对折,以折痕为中轴线画出半只小鸟的轮廓。关键点:小鸟的翅膀必须是向前伸展的(就像要向前拥抱一样,翅膀尖端要明显超过鸟嘴的位置)。
给大家准备了轮廓图
请在家长的陪同下安全操作剪刀!
沿着画好的线条,用剪刀小心地将小鸟剪下来并展开,这样你就能得到一只左右完全对称的纸片鸟。
第三步:
捏住小鸟的嘴部,稍微向下折出一个小弯钩。此时你会发现,小鸟大概率会立马一头栽下去,根本站不住。
第四步:
拿出回形针,在小鸟左右两边翅膀的最末端,各别上相同数量的回形针(比如左边三个、右边三个,确保两边重量一致)。
第五步:
再次将小鸟弯折的嘴巴轻轻放在杯壁边缘,或者你的指尖上。你会发现,刚才还站不住的小鸟,现在竟然稳稳地站在了半空中!试着用手轻轻戳一下它的尾巴,观察它在晃悠几下后自动恢复平衡。
第六步:
调整回形针的数量或位置,或者改变翅膀弯折的角度,观察小鸟的平衡姿态会发生什么变化。把各种造型的平衡鸟摆满你的桌面吧!
原理解说
为什么加上回形针,原本站不住的小鸟就suddenly变得“稳如泰山”了?这里用到的是一个经典且极为重要的物理概念——重心与稳定平衡。简单来说,一个物体的重量虽然分布在各个部分,但我们可以把它看成集中作用在某一个点上,这个点就是重心。如果我们想让一个物体保持平衡,最基本的要求就是:重心必须与支撑点在同一条铅垂线上。
当你刚刚剪下纸片鸟时,由于卡纸的质量分布比较均匀,整只鸟的重心大约在它身体的中心位置(也就是鸟嘴后方的肚子附近)。当你把鸟嘴放在指尖(支撑点)时,重心在支撑点的后方悬空。在重力的拉扯下,小鸟自然会产生一个翻转的力矩,直接掉下去。
但是,当我们给小鸟加上回形针后,情况就完全不同了。我们在画图时,特意让小鸟的翅膀向前伸展,这就意味着我们将回形针(重物)挂在了鸟嘴(支撑点)的前方和侧下方。这样一来,整只小鸟的系统重心被强行“拉”到了前方,并且大幅度下移,甚至转移到了支撑点的正下方。
这时候,小鸟就进入了一种更稳定的平衡状态。你可以把它理解成“不倒翁”的原理:当它被碰歪的时候,重心会暂时被抬高;一松手,重力就会把它往重心更低的位置拉回去,于是它又恢复平衡了。
把这个现象搬到真实世界,应用可谓极其广泛:
高空走钢丝(达瓦孜):手里拿着一根极长且两头下垂的平衡杆,并不是为了挥舞,而是为了把整体重心拉低到钢丝绳下方,从而像平衡鸟一样保持稳定。
塔式起重机:为了吊起前方沉重的建筑材料而不向前翻倒,后方必须配有巨大的混凝土配重块,这也是在调节重心,确保大臂的重心始终落在塔身的支撑基座范围内。
今天,我们只用了一张卡纸和几枚回形针,就在指尖玩转了重心的奥秘。科学一点儿都不无聊,它就爱躲在那些看起来违反直觉的有意思的现象里。
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