不倒翁为什么不会倒 不倒翁不倒的力学原理

 　　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”。一起来看看不倒翁为什么不会倒的原因，欢迎查阅！

　　不倒翁为什么不会倒

　　大家都有这样的经验：平放的砖头很稳定，把砖头竖立起来就容易翻倒;瓶子里装了半瓶水稳定，空瓶子或是装满水的瓶子就比较容易翻倒。从上面两个事例来看，要使一个物体稳定，不易翻倒，需要满足两个条件：第一，它的底面积要大;第二，它的重心要低。物体的重心可以认为是其所受重力的合力作用点。

　　对任何物体来说，如果它的底面积越大，重心越低，它就越稳，越不容易翻倒。例如：塔形建筑物总是下面大上面尖;装运货物时，总是把重的东西放在下面，轻的东西放在上面。

　　了解了这些知识，我们再来看看不倒翁。不倒翁的整个身体都很轻，只是在它的底部有一块较重的铅块或铁块，因此它的重心很低;另一方面，不倒翁的底面大而圆滑，容易摆动。当不倒翁向一边倾斜时，由于支点（不倒翁和桌面的接触点）发生变动，重心和支点就不在同一条铅垂线上，这时候，不倒翁在重力的作用下会绕支点摆动，直到恢复正常的位置。不倒翁倾斜的程度越大，重心离开支点的水平距离就越大，重力产生的摆动效果也越大，使它恢复到原位的趋势也就越显著，所以不倒翁是永远推不倒的。

　　像不倒翁这样，原来静止的物体在受到微小扰动后能自动恢复原位的平衡状态，在物理学上叫做稳定平衡。而像乒乓球、足球、篮球等球状物体，在受到外力后，可以在任何位置继续保持平衡，这种状态称为随遇平衡。处于随遇平衡的物体，重心和支点始终在同一条铅垂线上，而且重心的高度保持不变。横放在桌上的铅笔，就是一种随遇平衡，不管它滚到哪儿，重心的高度是不变的。

　　不倒翁不倒的原因

　　不倒翁之所以不会倒，就是因为不倒翁的整个身体都很轻，只是在它的底部有一个较重的东西（铅块或铁块）因此，它的重心很低。另一方面，不倒翁的底面积大而圆滑，容易摆动。当不翁向一边倾斜时，由于支点（和桌面的接触点）发生变动，重心和支点就不再在同一条重垂线上了，这时重力的作用会使它绕支点摆动，使不倒翁恢复正常的位置。不倒翁倾斜的程度越大，支点离开重心的水平距离就越大，重力产生的摆动效果将随着增加，使它恢复原位的趋势也就越显著，所以不倒翁是永远推不倒的。

　　不倒翁相关特征

　　形体结构

　　不倒翁为空心壳体，重量很轻;下半身是一个实心的半球体，重量较大，不倒翁的重心就在半球体之内。下面的半球体和支承面之间有一个接触点，这个半球体在支承面上滚动时，接触点的位置就要发生改变。不倒翁始终用一个接触点站立在支承面上，它永远是一个独脚体。

　　稳定性

　　不倒翁在受到外力的作用时，就要失去平衡，而在外力去除后，不倒翁能自行回复到平衡状态，这说明不倒翁具有一种抵抗外力干扰保持平衡的能力，这就是平衡的稳定性。这种抵抗干扰保持平衡的能力的形成，应该从不倒翁的受力情况来看。

　　受力情况

　　第一，不倒翁平衡的受力情况。不倒翁在桌面上，受到两个外力的作用：一个是重力G，地球对不倒翁的吸引力;另一个是支持力，桌面对牛球体的反作用力。根据物体的平衡条件，只要这两个力大小相等、方向相反、作用在一条直线上，不倒翁就能够保持平衡的状态。

　　第二，不倒翁倾斜的受力情况。不倒翁倾斜时受到两个力矩的作用，我们称外力的作���为干扰，外力形成干扰力矩;另一个叫抵抗力矩，由自身的重力形成。本来不倒翁是

　　直立的，由于外力的作用，外力对不倒翁与制成面的接触点产生力矩，使不倒翁倾斜，打破原来的平衡。此外，本来重力是不产生力矩的，因为本来不倒翁是直立的，重力的作用线和支点位于同一直线上，力矩为零。由于外力的作用，不倒翁倾斜，半球体向一侧滚动，接触点随之移动，形成了新的接触点，即形成了新的支点，此时重力的作用线和原支点不在同一直线上，因而形成力矩，这就是抵抗力矩。正是由于抵抗力矩的形成和发展，抵抗和制止了外力的干扰作用。抵抗力矩的方向和干扰力矩的方向正好相反，同时随着不倒翁倾斜的角度不断增大，重心作用线的偏移量也不断增大，抵抗力矩的量值也不断增大，当抵抗力矩等于干扰力矩时，不倒翁就进入新的平衡状态--倾斜的平衡状态，此时外力的干扰作用也就宣告停止。由此可知，不倒翁受到外力干扰后，原有的平衡破坏了，但新的平衡随之形成，不倒翁可以接续地保持平衡，虽然平衡的方式不同，但平衡的本质不变，这种便是动态平衡。第三，不倒翁复原的受力情况。从势能角度考虑，势能低的物体比较稳定，物体一定会向着势能低的状态变化。当不倒翁倒下的时候，由于集中了大部分重心的底座被抬高，造成势能增加，所以不倒翁要回复原来的位置。从杠杆原理来说，不倒翁倒下时，重心的作用点一直处于端部，不管支点在哪里，虽然底座的力臂较短，但是力矩=力_力臂，不倒翁还是会因为底座那头力矩大而回复到原来位置。此外，不倒翁底部为圆形，摩擦力小，便于不倒翁回到原来位置。

　　在以上的整个过程中，建立新的平衡是其中主要的问题，因为只有如此才能抵制外力的干扰，而回复原有的平衡则是次要问题，因为此时外力的干扰已经去除。在整个过程中不倒翁始终保持平衡的属性，这便是“平衡的稳定性”。

　　力学原理

　　综上所述，这个原理的要点在于：使重力的作用线偏离支点，使重力对支点产生力矩，即抵抗力距。由于不倒翁倾斜的角度不断增大，重力作用线的偏移量随之增大，抵抗力矩也随之增大，最终实现和外力力矩的平衡，不倒翁抵抗外力干扰、保持平衡的能力就是这样形成的。

　　不倒翁的原理介绍

　　上轻下重的物体比较稳定，也就是说重心越低越稳定。当不倒翁在竖立状态处于平衡时，重心和接触点的距离最小，即重心最低。偏离平衡位置后，重心总是升高的。因此，这种状态的平衡是稳定平衡。所以不倒翁无论如何摇摆，总是不倒的。再比如像我们在科技馆看到的“锥体上滚”实验，也是这个道理，由于锥体的形状和两边轨道的形状，使它的重心在下降，但看起来好像在上升，向上滚与生活中的事实不符合。但它只是一种假像，看到它的本质，还是重心降低了，因此重心越低越稳定。在生活中为增加物体的稳定性，我们常采用加重下面的重量，如电扇底座、话筒架、公共汽车站牌等。

　　利用重心这种特点，还可以做许多有趣的实验和解释一些现象。如可以做一个斤头虫，把一粒胶囊打开，装入一个小滚珠，即可来回翻跟头。我们常见一个盒子只放在桌上一点，但却不掉下去，这是因为盒子靠桌子的一头，是“重心”所在，所以盒子悬空，但不掉下来。走钢丝的杂技演员，手持平衡棒也是为降低重心，达到平衡的目的。一、力学原理

　　最常见的不倒翁是纸身、泥底，即用纸浆灌模或用废纸粘糊成形，再用泥土 制成半圆形的底座，将二者粘合好之后，再在外表糊上净纸，施以彩绘而成;也有的用木头做底，底部中心固定上铁块和小石子;还有用小葫芦挖净内瓤，内部灌铅做成的“葫芦”;今天还有用鸡蛋壳、旧乒乓球做成的小不倒翁。所有的这些不倒翁都有相同的特点：上半身为空心壳体、下半身是一个实心的半球体，底部为圆形。这些特点使它们具有了一致的基本力学结构，都能达到“不倒”的效果。

　　不倒翁为什么不会倒

　　无论什么东西，重的一头放得越低，支撑面越大，它就越稳，越不容易倒。工厂在生产不倒翁的时候，总是把不倒翁的下半部分做得很重，底部做成圆的，而且面积很大。所以不论你怎么推，它都会回到原来的位置，永远都不会倒的。

　　拓展

　　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。细心观察，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。

　　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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