國立台中教育大學 NTCU

科學教育與應用學系

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重心的奧秘

「平衡」是一個基本的物理概念,但也是一個複雜的過程。例如我們走路如何維持平衡?鳥在飛行又如何維持平衡呢?這些動態的平衡牽涉複雜的機制,不容易以簡單的物理過程解釋。而「靜態平衡」較為單純,以下介紹相關的原理以及科學遊戲。

「靜態平衡」主要是靜力達到平衡,可以由「重心」的角度來歸納:

1.重心越低,越容易平衡。

2.重心的位置如果有支撐物(支點),系統較容易維持平衡。

上述二點似乎很簡單,但是可以呈現出令人訝異的現象喔。上述二點似乎很簡單,但是可以呈現出令人訝異的現象喔。
重心的奧秘1:討厭重力的鐵鎚
重心的奧秘2:自動平衡的尺
重心的奧秘3:平衡鳥
重心的奧秘4:不倒竹筷人

重心的奧秘1:討厭重力的鐵鎚
操作步驟與現象

如下圖一,二塊木板以活動門鈕銜接,手拿著左邊的木板,右邊的木板會垂下來。現在如果將鐵槌的把手掛在右邊木板的下方(鐵槌頭部朝左邊)。鐵槌的重量是不是更容易讓右邊垂下來呢?試試看就知道!

觀賞影片(6.6M

再如下圖二,一根尺以棉線套住鐵鎚,垂掛在椅子上,居然不會掉下來。

想想看,這些現象符合了上述二點的哪一項?

(圖一)

(圖二)

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原理

       鐵鎚的重心在接近頭部的地方,掛上鐵槌可以讓系統(圖一的右邊木板與鐵槌;圖二的尺與鐵槌)的重心移動至支撐物(圖一的手;圖二的椅子)的下方。換言之,重心有手(圖一)或椅子(圖二)的支撐,就不會掉下來了。


重心的奧秘2:自動平衡的尺
操作步驟與現象

       拿一根尺(圓的木棒也可以),放在左右手各一根DSC04618手指頭上(如右圖)。左右手同時輕輕的往尺的中間移動。猜猜看,尺會不會掉下來呢?為什麼?

       請注意觀察,在移動過程,雖然左右手是同時移動,但是尺會不會同時在左右手上移動呢?

按此觀看影片(2.7M)

原理

        原因是當左右手其中某一個手指頭較接近重心時,其摩擦力較大(如同越重的物體摩擦力越大),較為遠離重心的手指頭(摩擦力較小)就會移動,待移動到接近重心時摩擦力超過另一邊時,就換邊移動,因而尺就一直在手指頭上保持平衡了。

叮嚀的話

       仔細觀察操作過程,可以發現尺不會在左右手同時移動,而是一下在左手移動,一下在右手移動,一直到左右手碰在一起,尺都不會掉下來。而為了增加驚奇效果,可以採用更長的木棍(或掃把的把手)。

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重心的奧秘3:平衡鳥
操作步驟與現象

準備器材: 鐵絲組、螺帽

操作步驟:

1.將發下的鐵絲組,掛上二個螺絲帽,可以自己決定要掛在哪二根鐵絲,然後調整鐵絲的角度、高低,讓鐵絲放在手指頭上可以保持平衡(如右圖)。

2.如果成功了,再試試掛三個螺絲帽,要如何才能平衡呢?

3.最後嘗試只掛一個螺絲帽,你能想出要如何擺放嗎?

 

原理

      此操作利用的是「重心越低越容易平衡」的概念,因此只要將鐵絲儘量往下方調整就容易達成平衡了。

叮嚀的話

鐵絲可以在五金行買建築工地用於綑綁鋼筋的鐵絲,儘量選用細的鐵絲。製作時將二根鐵絲分別對摺後,再用虎頭鉗在對摺處扭轉轉緊即可。

指導小朋友思考以下問題:(1).為什麼需要掛螺絲帽?如果不放螺絲帽,可以平衡嗎?(2).要達成平衡,螺絲帽要掛低一點,還是高一點比較好?

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重心的奧秘4:不倒竹筷人
操作步驟與現象

看過走鋼索人拿著很長的平衡桿,在空中走鋼索的情形嗎?我們也來試一試,只靠著一點的接觸,整個平衡組就能立在鋼索上!

準備器材:竹筷、紙黏土 、橡皮筋

操作步驟:

1.先取三根竹筷,頭部交叉後,以橡皮筋捆緊(如圖一)。

2.取另一根竹筷,橫放在三根竹筷的下方(如圖二),分別用橡皮筋捆緊。

3.在左右兩邊的竹筷最底端,黏上紙黏土,竹筷人就完成了。(如圖三)

動動腦試試看:以手指支撐竹筷人中間的竹筷,可以保持平衡嗎?如果無法站立在手指頭上,調整一下每根竹筷的位置,一定可以讓竹筷人站得又平又穩。(想一想;重心越低還是越高比較穩)

(圖一)

(圖二)

(圖三)

叮嚀的話

       物體的重心如果越低,越容易保持平衡(就好像蹲下來,比站著穩定)。所以在調整竹筷人的重心時,儘量將中間的竹筷(和手指接觸那根)往上調整,而左右兩邊的竹筷(黏了紙黏土的)儘量調整低一點,這樣就很容易讓竹筷人平穩的站立了。

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