小玩具里藏科學

◎本刊綜合

玩具是小朋友的伙伴。你們應該都玩過不少小玩具吧？可別小看這些小玩具，它們竟然蘊含著科學原理呢。

自動“下樓梯”的彩虹圈

彩虹圈是一種螺旋彈簧玩具，多采用塑料材質，色彩斑斕，仿佛穿著“彩虹衣”，非常好看。

玩法：

彩虹圈不僅可以拉伸著玩，更奇妙的是，我們把它的兩個端面分別置于樓梯的兩級臺階上，它在高處的端部會突然躍起，彎曲，落到低處臺階，然后另一端部躍起，重復這個過程，好像在翻著筋斗“下樓梯”。

小竅門：樓梯臺階高度要合適，彩虹圈才能順利“下樓梯”。臺階不能比彩虹圈高太多，也不能太寬，否則彩虹圈中途會“摔倒”或停下來。

原理不簡單：

能量可以被儲存，不同形式的能量之間還可以相互轉化。把鐵球放在山坡上，它就有從高處往下滾的趨勢，且高度越高，能量越大，這種能量是重力勢能。當它真正開始往下滾時，重力勢能變成動能，使其滾得越來越快。當它到達平地后，不再往下滾，能量全部用光。

彩虹圈不僅“下樓梯”時可以借助重力勢能和動能之間的轉化，它的彈簧結構還擁有彈性勢能，無論你拉扯它還是擠壓它，它都有往回彈的趨勢。

彩虹圈的能量在重力勢能、動能與彈性勢能之間不斷轉化，直到彩虹圈落到平地，重力勢能用完，它才會因為地面的阻力而停下來。

當彩虹圈被放在階梯高處時，它存儲了重力勢能，“下樓梯”時，重力勢能一點點轉化成動能。下一層臺階后，動能會把彩虹圈壓緊，這時動能轉化成彈性勢能。彈性勢能讓彩虹圈彈起，繼續運動，落向下一層臺階。

隔球彈球的牛頓擺

牛頓擺是一種桌上玩具，由架子、金屬球和吊繩組成。5個完全相同的金屬球由吊繩吊在架子上，彼此緊密排列。

玩法：

你拿起最右側的球，讓它落下并撞到旁邊的球，這時，只有最左側的球會被彈飛，產生“隔山打牛”的效果。

當最右側的兩個球同時擺動并撞擊其他球時，最左側的兩個球會被彈飛。

原理不簡單：

能量可以在物體間傳遞。

被拿起后落下的第一個球擁有動能，當它碰到第二個球時，就把自己的動能傳遞給第二個球，變成了第二個球的能量。第二個球還沒來得及移動，就把能量傳給了第三個球，第三個球又把能量傳給第四個球。當能量傳到第五個球時，這個球沒辦法把能量傳遞出去，只能把能量轉化成動能，擺了起來。

第五個球擺起后又會因為重力而落下，撞到第四個球，這時能量又沿著第四個球、第三個球、第二個球傳回第一個球，再次讓第一個球擺起來。

不過，最側邊的球不會一直擺來擺去。由于吊繩在擺動中摩擦生熱，球也因碰撞發出聲響，能量漸漸轉化成熱量和聲能，當球的能量被轉化完后，球就會停止擺動。

旋轉時不倒的陀螺

陀螺是大家十分熟悉的玩具，從前多用木頭制成，現在多為塑料或鐵制，上半部分圓鼓鼓的，下半部分尖尖的，樣子有些可愛。

玩法：

我們給陀螺施力，陀螺便會在地面上旋轉，有時還邊轉邊走。旋轉時，陀螺是不會倒的，一旦倒下，旋轉立馬停止。

原理不簡單：

陀螺是一種神奇的玩具，它的支撐點很小，但旋轉時不會倒下。

在旋轉時，陀螺不僅圍繞自身的軸線自轉，還圍繞一個垂直軸做錐形運動，這種現象稱為“進動”，也叫作“旋進”。也就是說，陀螺不是垂直立于地面上，而是向地面略微傾斜。

陀螺重力的力矩不為零，而陀螺的進動角動量可以平衡重力矩的作用，所以陀螺在旋轉時不會倒向地面。

陀螺自轉的速度決定陀螺擺動角的大小。陀螺轉得越慢，擺動角越大，穩定性越差；轉得越快，擺動角越小，穩定性就越好。

利用高速旋轉來保持穩定的這種陀螺原理已經被廣泛應用于我們的生活中，比如，在表演時，芭蕾舞演員需要踮起腳尖，才能像陀螺一樣不停地旋轉，否則根本無法用腳尖長時間支撐身體的重量，也不可能保持自身平衡。