奇妙无比的“重心”

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  不少同学都玩过陀螺,在玩的过程中,很多同学都产生了相同的疑问:陀螺为什么旋转时就直立不倒,而静止时就站立不住呢?原来,陀螺旋转作圆周运动时,各种力的作用使陀螺的重心保持在中心轴上不变,没有重心的偏移当然就不会倒;而静止时,重心偏向一边不在中心轴上,当然就会倒向一方了。
  你知道“马踏飞燕”吗?它是一座我国东汉时期的铜奔马,是利用重心原理设计制作的艺术精品。只见它上面的骏马,膘肥身健,体形匀称,鬃毛整齐,四蹄坚韧有力。它的头微微后仰而稍向左歪,尾巴向后扬起,一只脚落在一只飞翔的燕子上。它姿态动感强烈,同时也保持着精确的平衡。这座铜奔马的重心显然经过了极其周密的计算,它全身的重量稳稳地集中在右后蹄上。
  怎样才能使铜奔马保持平衡呢?独具匠心的设计者有意使马的头和颈往后收缩,让重心尽量后移;同时使踏燕的后蹄尽量前伸,让马的支撑点和重心正好在一条垂直线上。再加上向前后伸出的两条腿和扬起的尾巴,不仅使马在整体上保持平衡,而且使马的造型更加优美。
  “马踏飞燕”是汉代艺术家智慧、想象力、浪漫主义情怀和高超艺术技巧的结晶,是我国古代雕塑艺术的稀世之宝。“马踏飞燕”具有的蓬勃的生命力和一往无前的气势,更是中华民族的象征。设计者想象力之卓越、构思之新颖以及铜铸工艺运用之巧妙,都令人惊叹不已。
  这是人们利用重心的实例。那么什么是重心呢?物理上的重心是指物体各部分所受重力的合力的作用点。
  质量均匀分布的物体,重心的位置只跟物体的形状有关。有规则形状的物体,它的重心就在几何中心上,例如,均匀细直棒的重心在棒的中点,均匀球体的重心在球心,均匀圆柱的重心在轴线的中点。不规则物体的重心位置除跟物体的形状有关外,还跟物体本身的质量分布有关。载重汽车的重心随着装货多少和装载位置而变化,起重机的重心随着提升物体的重量和高度而变化。
  不规则物体的重心,可以用悬挂法或支撑法来确定物体的重心。悬挂法的操作方法,是在物体上任意找一点,用绳悬挂,画出物体静止后的重力线,同理,再找一点悬挂,再画一条重力线,这两条重力线的交点就是这个物体的重心。支撑法是用细棒作一个支点支撑物体,不断变化位置,越稳定的位置,越接近重心。
  有趣的是,虽然理论上讲物体的重心一般在这个物体上面,但也有例外,例如均匀的圆环,它的重心就在圆环的圆心上,而不在圆环的任何一个点上,可这个“圆心”恰恰是空的,什么也没有!
  巧法找重心
  接下来,让我们一起动手,用悬挂法来找找形状不规则的物体的重心吧!
  1.准备材料
  纸板一张,线一根,图钉一枚,垫圈一个,锥子、剪刀、直尺各一把。
  2.实验过程
  ①将纸板剪成一个不规则的形状,并用锥子在纸板的边缘随意扎几个小孔。
  ②将线的一端绑在垫圈上,另一端绑在图钉上,然后将图钉穿过纸板上的一个小孔,轻轻地将纸板钉在墙上。当纸板静止后,用笔和直尺沿着线的位置在纸板上画出一条直线。
  ③依次用图钉穿过另外三个孔,重复以上步骤,最后纸板上的4条直线交于一点,然后把纸板放在你的食指上,指头对准4条直线的交点。这时你会发现,这张形状不规则的纸板在你的食指上能保持平衡,不会掉下来。
  3.科学奥秘
  纸板上4条直线的交点就是纸板的重心,重心就是重力的平衡点。事实上,物体的重心就是物体受到全部重力的聚集点。如果在重心下放一个支撑物(如手指),物体便可以保持平衡。当然,有规则的物体找起重心来就容易些了,比如找一本书的重心,先将书的一角(A点)提起,静止后,在书面上从A点起画一条垂直于水平地面的线,再提起另一角(B点),静止后,从B点起画一条垂直于水平地面的线,两线交与一点,这一点就是这本书的重心了。
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  1.准备材料
  塑料杯一只,盆子一个,自行车辐条一根,粗铁丝一段,以及水、钳子、锥子等。
  2.精心制作
  在塑料杯中部上方一点的杯壁上钻2个孔,使两孔的连线稍稍偏离孔所在平面的圆心。再将自行车的辐条紧紧地插入杯壁的两个小孔中,作为容器的转轴。
  用铁丝做一个有凹槽的支架,把杯子的转轴架在支架顶端的凹槽内,把盆子放在杯子下方,这样,欹器也就完成了。
  3.实验过程
  制作好后,开始灌水。才开始灌水时,水面在转轴之下,杯子就会竖直起来;当继续灌水,水面超过转轴一定高度时杯子就会一下子倾覆过来;杯子里的水倒尽后,杯子又恢复到最初状态。
  4.科学奥秘
  灌水前,杯子的重心在杯子中间偏向一侧的位置,杯子微横,杯口略向前倾;装了一部分水后,重心降到杯子的下部,于是杯子就竖直了起来;当水渐渐装满时,重心上移,杯子就倾倒了下去。是不是很有趣很好玩啊?其实这也是重心在发挥它的魔力!
  (编辑 孙世奇)
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