平衡力的精彩【不可思议的平衡】

  在魔术中,山楂串仅依靠一个支点就能立在玻璃杯口上,其实是杠杆平衡原理和重心的应用。   我们知道,静止和平衡的力学条件是合力等于零,合力矩等于零。仔细观察魔术中的山楂串,如图2所示,分析该图可知,此时整个组合的重心并不在任一枚山楂上,而是在牙签与杯口接触的支点处。当我们点燃牙签后,并没有影响到整个系统的重心位置,因此我们就看到了一个奇妙的现象――尽管山楂串只有一个支点与玻璃杯口接触,却依然能够立在杯口上。现在你有办法让铅笔仅靠笔尖一点而立在桌面上了吗?
  市面上有一种平衡鸟玩具,很多人都纳闷平衡鸟是如何仅依靠鸟嘴就保持平衡稳定的,而且无论如何摇晃,鸟也不会掉落。平衡鸟也是利用杠杆平衡原理。仔细观察平衡鸟的结构,可以发现平衡鸟的重心处于鸟嘴(支点)的下方,而它的左右两翼对称,到鸟嘴的距离相等,即力臂等长,故而力矩为零。晃动时,重心相对于支点力矩不为零,于是提供一个回复使用简单的材料可以模仿平衡鸟的原理:拿一支铁丝弯成字母M状(图1),两边高度一致且比中间低;在两侧下方加上等重的物体(如橡皮泥),将中央支点放在手指上简易的平衡鸟就完成了。
  
  不会掉落的山楂串
  如图,将3枚山楂(或橡皮)用牙签串起,将牙签轻轻置于玻璃杯口上,在移动牙签的过程中,我们会发现在某一点上,山楂串可以立在杯口上。
  出乎意料的是,当牙签烧到只剩下一个支点与玻璃杯口接触了,山楂串依旧没有掉落!不相信吗,亲自动手试试吧!
  
  
  
  点燃靠在玻璃杯口上的牙签,猜测一下,此时山楂串是否会掉落。
  巧寻木棒的重心
  有一根粗细不均匀的木棒(例如一端较粗,另一端较细),不借助其他工具,有没有方法可以快速找它的重心所在呢?
  我们知道悬线法是用于寻找不规则物体重心最方便的方法,不过对于木棒这种情况,还有一种更简便的方法:将手指从两端向里移,最终左、右手指相遇的位置便是木棒的重心。
  仔细观察一下,在手指移动的过程中,棒与手指是如何产生滑动的?在手指移动的过程中,两个手指与木棒发生交替滑动,也就是一只手指向棒内滑动到一段距离后停止,再换另一只手指开始向内滑动,依次交替,直至两手指相遇。
  这是由于摩擦力的变化所引起的。由于木棒的重心不在两手指之间连线的中点,因此木棒对两手指的压力不等。靠近重心的手指所受压力比较大,它与木棒之间静摩擦力的最大值也就比较大,于是另一只手指就会向内滑动。随着它逐渐靠近重心,所受压力也逐渐变大。当两手指距重心的距离相等时,压力虽然相等,但滑动的那个手指受到木棒的滑动摩擦力仍然小于另一手指与木棒的最大静摩擦力,因此另一个手指仍旧静止。滑动的手指继续向内滑动,直到压力增大到使它受到的滑动摩擦力大于另一手指受到的最大静摩擦力时,更替为另一手指向内滑动。如此交替变化,两手指最终将在木棒重心处相遇。

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