不倒翁的簡單原理
不倒翁原理
當不倒翁在豎立狀態處於平衡時,重心和接觸點的距離最小,即重心最低。偏離平衡位置後,重心總是升高的。因此,這種狀態的平衡是穩定平衡。所以不倒翁無論如何搖擺,總是不倒的。從槓桿的角度來看,當不倒翁倒下的時候,它的重心始終在末端,無論它的支撐點是什麼,基座上的力臂雖然比柱子要短,但它的力矩卻要比柱子本身輕得多,所以柱子上的力矩很大,柱子就會重新回到原位。
不倒翁形體結構
不倒翁爲空心殼體,重量很輕;下半身是一個實心的半球體,重量較大,不倒翁的重心就在半球體之內。下面的半球體和支承面之間有一個接觸點,這個半球體在支承面上滾動時,接觸點的位置就要發生改變。不倒翁始終用一個接觸點站立在支承面上,它永遠是一個獨腳體。
不倒翁受力分析
1、不倒翁平衡的受力情況。 不倒翁在桌面上,受到兩個外力的作用:一個是重力G,地球對不倒翁的吸引力;另一個是支持力,桌面對牛球體的反作用力。根據物體的平衡條件,只要這兩個力大小相等、方向相反、作用在一條直線上,不倒翁就能夠保持平衡的狀態。
2、不倒翁傾斜的受力情況。不倒翁傾斜時受到兩個力矩的作用,我們稱外力的作用爲干擾,外力形成干擾力矩;另一個叫抵抗力矩,由自身的重力形成。本來不倒翁是直立的,由於外力的作用,外力對不倒翁與製成面的接觸點產生力矩,使不倒翁傾斜,打破原來的平衡。
不倒翁原理的應用
1.不倒翁沙袋是一種常見的體育鍛煉器械,它依靠其鐵質材料的底盤來穩定重心,使絕大部分的重量都集中在很低的位置,上部僅爲很輕的軟質泡沫或其他物質,即使受到較強的外力作用,沙袋也不會傾倒。類似的還有扇底座、話筒架、公共汽車站牌等。
2.因不倒翁原理而提高在建築設計、汽車結構方面,有1300年曆史的西安小雁塔,歷經幾十次地震而不倒,史載大地震曾使其3次開裂又3次複合,尤其是1556年的一次地震將其由56米的完整高度震爲43米的現存高度,但是其塔身不傾斜,讓人驚奇。小雁塔塔基四周直徑60米左右的地下,由外至塔基中心處的夯土層逐漸加深,中心部位是數層青石,上面用磚砌出塔基,同時地面壘了三米高的臺基,其正上方纔是塔身。這使得此塔整體上好似不倒翁一般,故雖經千年而無大恙。
3.汽車在設計製造時,通過增加底盤佔整個車體重量的比例,降低汽車的重心,可以使汽車在緊急剎車或者轉彎時,保持平衡狀態,避免撞車、翻車等危及生命安全的交通事故的發生,用不倒翁原理提高了汽車的操控性能。
4.在科技館看到的"錐體上滾"實驗,手持平衡棒的走鋼絲雜技演員,太極拳裏面的身體半蹲姿勢等,都利用到了不倒翁原理。
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