動(dòng)動(dòng)腦，設(shè)計(jì)重力小實(shí)驗(yàn)

張軍

尋找物體的重心

物體的各個(gè)組成部分都受到重力，我們可以把這些重力的作用點(diǎn)看作集中在一點(diǎn)，這個(gè)點(diǎn)就叫“重心”。形狀規(guī)則、密度均勻的物體，重心就在它的幾何中心，比如矩形的重心在兩條對(duì)角線的交點(diǎn)上，三角形的重心在三條中線的交點(diǎn)上，圓形的重心在圓心上。重心也可以不在物體上，比如圓環(huán)的重心，比如籃球的重心。

尋找物體重心的方法有很多。

對(duì)于棒一類的條狀物，可以用手指挪移法。雙手食指伸直放平，托起棒的兩端，然后將兩根食指慢慢靠近。最終兩根食指會(huì)相遇，棒的重心就在相遇點(diǎn)的正上方（圖1）。假定兩根食指與棒的接觸點(diǎn)分別是A、B，對(duì)棒的支持力分別是FA、FB，棒的重心在O點(diǎn)，重力為G。把棒看成支點(diǎn)為B的杠桿，則FA·BA=G·BO，F(xiàn)A=（BO/BA）G；把棒看成支點(diǎn)為A的杠桿，則FB=（AO/BA）G。所以，當(dāng)OA＞OB時(shí)，F(xiàn)B＞FA，棒與支撐B點(diǎn)的食指間壓力大，故摩擦力也大，支撐B點(diǎn)的食指會(huì)保持靜止，而支撐A點(diǎn)的食指向O點(diǎn)靠近。同理，當(dāng)OA＜OB時(shí)，支撐A點(diǎn)的食指保持靜止，而支撐B點(diǎn)的食指向O點(diǎn)靠近。因此，你會(huì)看到兩個(gè)食指在交替移動(dòng)。

對(duì)于有平坦表面的物體，可以用桌面推移法。將物體從水平桌面邊緣慢慢推離桌面，當(dāng)物體恰好要掉下時(shí)，它的重心就在桌面邊緣線的正上方。將物體旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，重復(fù)上面步驟，物體的重心同樣在桌面邊緣線的正上方。理論上就可以知道重心所在的豎直線了（圖2）。

對(duì)于薄板狀的物體，也可以采用懸線法。在物體邊緣固定棉線的線頭，提起另一端將物體懸吊起來保持不動(dòng)，重心一定在棉線所在的直線a上。換個(gè)懸掛點(diǎn)，再次懸吊物體保持靜止，重心一定在棉線所在的直線b上。直線a、b的交點(diǎn)，就是物體的重心（圖3）。

對(duì)于輕質(zhì)的物體，還可以采用單點(diǎn)支撐法。仔細(xì)調(diào)節(jié)支撐點(diǎn)位置，讓物體在豎直的竹簽頂端保持靜止，重心就位于支撐點(diǎn)的正上方。平衡鳥玩具就是利用了這個(gè)原理。可以自己設(shè)計(jì)一些小玩具，比如用紙剪個(gè)蝴蝶，讓其懸停在竹簽頂端。當(dāng)氣流有微小的變化，紙蝴蝶就會(huì)動(dòng)起來（圖4）。也可以用卡紙剪貼一只平衡鳥，用粘貼輕小物體的方法來微調(diào)重心，直到重心

在鳥嘴正下方。支撐住鳥嘴，就可以讓鳥保持平衡了（圖5）。

什么是豎直向下

水靜止時(shí)，水面所在的平面就稱為“水平面”，和它平行的平面也叫“水平面”。與水平方向垂直的就是豎直方向。把塑料管彎成U形，裝上水，當(dāng)水面靜止時(shí)，U形管兩側(cè)的水面必定相平（圖6）。用這個(gè)方法，可以尋找墻壁上在同一水平面上的兩個(gè)點(diǎn)。以前室內(nèi)裝修工人在找水平時(shí)，經(jīng)常采用這樣的辦法，如果地板到這兩個(gè)點(diǎn)的距離不等，則說明地板不水平。

用鉛垂線可以將“豎直向下”具象化。用棉線在橫桿下懸掛幾個(gè)螺母，靜止時(shí)懸線所在的方向就是豎直方向；將橫桿傾斜一個(gè)角度，并不會(huì)影響懸線的方向（圖7）。如果將線剪斷，螺母將沿豎直方向下落。生活中，人們常用鉛垂線檢查墻壁、畫的邊框是否豎直。

物體的重心越低，就越穩(wěn)定。用外力讓物體的重心升高，撤去外力后，物體又會(huì)回到重心最低的狀態(tài)，這就是不倒翁的工作原理。身邊常見的雞蛋、乒乓球、紙杯、卡紙等，都可以用來制作類似不倒翁的玩具。比如，在紙杯的內(nèi)壁用熱熔膠粘牢一個(gè)玻璃球，然后剪個(gè)熊貓的卡通圖案蒙住杯口。將紙杯橫放在水平桌面上，玻璃球會(huì)處于最低位置。將紙杯推離平衡位置，紙杯會(huì)自動(dòng)滾回來，你就看到了一只搖晃的“熊貓”（圖8）。

向上滾的圓筒與翻跟斗的膠囊

斜面上放置的紙筒通常會(huì)往下滾，我們也能讓它往上滾一小段距離。在圓筒內(nèi)壁固定重物，在坡度不大的斜面上，先轉(zhuǎn)動(dòng)圓筒，讓重心位置抬高。松開手后，圓筒重心下移，會(huì)導(dǎo)致紙筒向上滾（圖9）。

在空心膠囊里裝上小鋼珠，然后將小鋼珠放在一個(gè)傾斜放置的槽中，調(diào)整適當(dāng)傾角，可以看到膠囊一路翻著跟斗跑下去。槽的表面要粗糙一些（可以用砂紙或瓦楞紙），斜面如果光滑，膠囊就直接從坡上滑下去了。為了便于看清楚，在膠囊外面可以粘上不同顏色的紙環(huán)（圖10）。

當(dāng)然，能設(shè)計(jì)的小實(shí)驗(yàn)還有很多，比如制作水平儀、制作重力小車、設(shè)計(jì)重力錯(cuò)覺實(shí)驗(yàn)，等等。大家動(dòng)動(dòng)腦筋，看看還有哪些創(chuàng)意。