重心與平衡

實驗器材

實驗步驟

1

拿出一支拖把（也可以是球棒或是長棍類的物品），雙手伸出食指，把拖把平穩地放在伸出的食指上面，我們試著找出它的重心。

2

閉上眼睛，將雙手慢慢往中間移動，直到雙手食指碰到彼此。

3

拿一根細繩，將在拖把上找到平衡點的地方用細繩綁一圈，再將拖把吊起來看看，拖把是不是呈現水平狀態呢？

想想看，拖把上綁細繩的位置代表著什么呢？

4

現在來做一個神奇的平衡玩具吧！準備兩把叉子與一個軟木塞。

5

將兩把叉子對稱插進軟木塞的兩側。

6

另外準備一個鉆了洞的橡皮塞與一根竹筷，將竹筷插進橡皮塞的洞中作為平衡玩具的平臺。

7

將叉子與軟木塞的組合輕輕放在細細的竹筷上。哇！叉子竟然以奇妙的角度站在竹筷上了！

如果沒有成功，可以試著再調整叉子的角度，慢慢找出能夠平衡的位置，相信你一定可以成功的！

圖解：重心與平衡

拖把的重心在哪里？我們可以在拖把上綁上細繩，找出能夠使拖把呈現水平狀態的支點，利用懸吊法來找出重心。找出重心后我們發現拖把的重心不是在正中央，而是在偏向拖把頭的部分，畢竟拖把頭的部分是比較重的。從杠桿原理知道，較重的一邊距離支點的力臂距離要比較短，才能達到平衡，因此拖把的重心才會偏向拖把頭那側。

為什么叉子與軟木塞的組合可以用如此奇妙的平衡方式穩穩站在竹筷上呢？不管是一個物品還是數個物品組合在一起，只要把重心的位置放在要立足的支點上，無論是多么奇特的擺設或姿勢，都可以讓物品達到平衡狀態。

原來如此

一個物體的每個部分都受到重力的作用，我們將物體上的這些重力統合起來，視為集中于物體上的一個點，這個點就稱為重心。重心是物理學上的一種假設，所有物體的重量不是只在一個點上，假設重心只是為了方便計算與測量，也可以說重心是物體重量的代表。

我們也可以利用杠桿原理來思考，先以一根細長的棍子舉例，如果要讓這根棍子達到平衡，必定是抓住棍子的中間那個點棍子才不會歪向一邊，這個點就是棍子的重心。如果在這個重心的位置綁上細繩懸吊，棍子是不是呈現水平狀態？綁上細繩的位置就是這根棍子杠桿中的支點，也就是說，如果找到棍子中呈現水平狀態的支點位置，那這個支點位置就是棍子的重心。

如果要找重心的物品是方形的，甚至是不規則形狀的，我們可以把它想成是由無限多根棍子杠桿組合起來的，每個杠桿都有個平衡的支點，所有杠桿的平衡支點統合起來也會有一個點代表所有支點的位置，那這個點就是整個物體的重心了。

如果是有規則形狀的物體，如三角形、正方形，可以利用數學公式來找出重心，不過生活中有許多不規則的物品，我們可以利用綁上細繩讓物體呈現水平的方法來找出重心位置，這個方法稱為懸吊法。

那么特技演員們又是如何利用重心來達成平衡的呢？要維持平衡，重心必須在支點上。我們可以視特技演員腳踩的地方為整個平衡的支點，只要所有物品的重心最后都落在支點上，即使物品看起來再怎么搖搖欲墜，也能保持平衡的狀態。

一點就通

不會倒的不倒翁

玩過不倒翁嗎？不倒翁是最為人熟知的一種平衡玩具。不管怎么將不倒翁推倒、翻倒、踢倒，它都可以自己站起來，因此被許多人引喻為鍥而不舍、努力不懈精神的象征，勉勵人們力爭上游，即使失敗也要像不倒翁一樣再站起來。

那么，從科學的角度來說，不倒翁不會倒的原理是什么呢？其實就是利用重心與支點的位置來達成平衡。你會發現不倒翁的設計幾乎都是頭輕腳重—頭部細小、輕便，底部圓弧狀非常寬大且厚重，這種設計的目的就是讓不倒翁的重心下移，重心越往下移就會越穩。

如下圖所示，當不倒翁靜止時，重心垂直落在地面的支點達成平衡。如果推倒不倒翁，重心雖然不會移動，但是不倒翁在地面的支點卻會往推倒的方向偏移。由于不倒翁的重心位置在推倒方向的另一側，重心提供的重力又會給不倒翁施加一段力，使不倒翁往推倒方向的另一側傾倒。等推倒的力道消失，不倒翁利用重心提供的力再重新站起來！這不是因為努力不懈的精神，而是力學原理使不倒翁自然而然站起來了！

像不倒翁一樣能夠永遠保持站立的平衡，稱為穩定平衡。不倒翁不會倒的關鍵在于重心的力永遠在推倒的反向側，不倒翁的重心必須足夠低才可行。其他如高腳杯，由于重心位置比較高，推倒會使重心在推倒方向的同一側，反而加劇推倒的力道，因此一推就會倒下無法站起來，這種又稱為不穩定平衡。

選自《小牛頓實驗王力的應用》，化學工業出版社，本刊被授予選載權。