不倒翁的科學與力學原理介紹

　　不倒翁大家都有玩過，但是大家知道不倒翁的一些科學原理嗎?下面是百分網(wǎng)小編為你精心推薦的不倒翁科學原理，希望對您有所幫助。

　　不倒翁的科學原理

　　1.勢能低的物體比較穩(wěn)定，物體一定會向著勢能低的狀態(tài)變化。

　　當不倒翁倒下的時候，由于集中了大部分重心的底座被抬高，造成勢能增加，所以不倒翁要回復原來的位置。

　　2.從杠桿原理來說，不倒翁倒下時，重心的作用點一直處于端部，不管支點在哪里，雖然底座的力臂較短，但是力矩=力*力臂，不倒翁還是會因為底座那頭力矩大而回復到原來位置。

　　3.還有就是底部為圓形，摩擦力小，便于不倒翁回到原來位置。

　　在偏底部中間的地方。

　　這樣重心低，可以提高穩(wěn)定程度，使其不易傾倒，或翻身。

　　"形狀規(guī)則"的物體重心在它的幾何中心，不倒翁的外形看起來象只蛋，但是為了提高穩(wěn)定程度，設計者在里面的底部放了很重的東西，如水泥，米粒，砂石等。

　　不倒翁的力學原理

　　1.不倒翁的形體結(jié)構(gòu)

　　不倒翁為空心殼體，重量很輕;下半身是一個實心的半球體，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接觸點，這個半球體在支承面上滾動時，接觸點的位置就要發(fā)生改變。不倒翁始終用一個接觸點站立在支承面上，它永遠是一個獨腳體。

　　2.不倒翁的平衡的穩(wěn)定性

　　不倒翁在受到外力的作用時，就要失去平衡，而在外力去除后，不倒翁能自行回復到平衡狀態(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，應該從不倒翁的受力情況來看。

　　3.不倒翁的受力情況有三種

　　第一，不倒翁平衡的受力情況。不倒翁在桌面上，受到兩個外力的作用：一個是重力G，地球?qū)Σ坏刮痰奈�引�?另一個是支持力，桌面對牛球體的反作用力。根據(jù)物體的平衡條件，只要這兩個力大小相等、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。不倒翁傾斜時受到兩個力矩的作用，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，外力對不倒翁與制成面的接觸點產(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，因為本來不倒翁是直立的，重力的作用線和支點位于同一直線上，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，接觸點隨之移動，形成了新的接觸點，即形成了新的支點，此時重力的作用線和原支點不在同一直線上，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?shù)挚沽�矩等于干擾力矩時，不倒翁就進入新的平衡狀態(tài)——傾斜的平衡狀態(tài)，此時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，這種便是動態(tài)平衡。

　　第三，不倒翁復原的受力情況。從勢能角度考慮，勢能低的物體比較穩(wěn)定，物體一定會向著勢能低的狀態(tài)變化。當不倒翁倒下的時候，由于集中了大部分重心的底座被抬高，造成勢能增加，所以不倒翁要回復原來的位置。從杠桿原理來說，不倒翁倒下時，重心的作用點一直處于端部，不管支點在哪里，雖然底座的力臂較短，但是力矩=力*力臂，不倒翁還是會因為底座那頭力矩大而回復到原來位置。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。

　　在以上的整個過程中，建立新的平衡是其中主要的問題，因為只有如此才能抵制外力的干擾，而回復原有的平衡則是次要問題，因為此時外力的干擾已經(jīng)去除。在整個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”。

　　一些玩具中應用的科學原理

　　1.反沖原理：反沖運動是當一個物體向某一個方向射出(或拋出)它的一部分時,這個物體的剩余部分將向相反的方向運動.

　　2.陀螺原理就是，一個旋轉(zhuǎn)物體的旋轉(zhuǎn)軸所指的方向在不受外力影響時，是不會改變的。人們根據(jù)這個道理，用它來保持方向，制造出來的東西就叫陀螺儀。我們騎自行車其實也是利用了這個原理。輪子轉(zhuǎn)得越快越不容易倒，因為車軸有一股保持水平的力量。陀螺儀在工作時要給它一個力，使它快速旋轉(zhuǎn)起來，一般能達到每分鐘幾十萬轉(zhuǎn)，可以工作很長時間。然后用多種方法讀取軸所指示的方向，并自動將數(shù)據(jù)信號傳給控制系統(tǒng)。

　　3.不倒翁原理：使重力的作用線偏離支點，使重力對支點產(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。

　　4.發(fā)條玩具的原理：里面有彈性鋼卷，可以把動力轉(zhuǎn)化為彈性勢能儲存，按按紐后又轉(zhuǎn)化為動能。

　　不倒翁原理運用方法

　　在建筑設計、汽車結(jié)構(gòu)方面，如上圖所示：有1300年歷史的西安小雁塔，歷經(jīng)幾十次地震而不倒，史載大地震曾使其3次開裂又3次復合，尤其是1556年的一次地震將其由56米的完整高度震為43米的現(xiàn)存高度，但是至今其塔身不傾斜，讓人驚奇。原因何在?小雁塔塔基四周直徑60米左右的地下，由外至塔基中心處的夯土層逐漸加深，中心部位是數(shù)層青石，上面用磚砌出塔基，同時地面壘了三米高的臺基，其正上方才是塔身。這使得此塔整體上好似不倒翁一般，故雖經(jīng)千年而無大恙。汽車在設計制造時，通過增加底盤占整個車體重量的比例，降低汽車的重心，可以使汽車在緊急剎車或者轉(zhuǎn)彎時，保持平衡狀態(tài)，避免撞車、翻車等危及生命安全的交通事故的發(fā)生，用不倒翁原理提高了汽車的操控性能。

　　此外，我們在科技館看到的“錐體上滾”實驗，手持平衡棒的走鋼絲雜技演員，太極拳里面的身體半蹲姿勢等，都利用到了不倒翁原理。