核心概念
物理学
地心引力
摩擦力
向心力
正压力
旋转运动
牛顿运动定律
导言
你擅长玩呼啦圈吗？如果不太擅长，也不用担心——你可以通过这个有趣的实验项目来体验。你只需要一支铅笔和一根橡皮筋，就能探索呼啦圈背后的迷人物理学原理。
背景
呼啦圈完全是关于力的！当你玩呼啦圈时，你可能不会过多地考虑物理学，但实际上有许多不同的力在起作用，帮助呼啦圈保持旋转并防止它掉到地上。力是对物体施加的推或拉。力可以使物体移动，但仅仅因为某物没有移动，并不意味着它没有受到任何力的作用。例如，如果你现在正坐在椅子上，椅子会对你施加一个向上的力，阻止你掉到地上。相反，仅仅因为某物正在移动，并不一定意味着它受到了力的作用。一个以恒定速度移动的物体，如果没有力使其减速（牛顿第一运动定律），将永远沿直线运动下去。
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那么，有哪些力作用在呼啦圈上呢？
—重量，或者说是将呼啦圈向下拉的地心引力；
—摩擦力，即阻碍两个表面相互滑动的力（在本例中，是呼啦圈和你的衣服之间的摩擦力）；
—正压力。在物理学中，“正”的意思是“垂直于”，而不是日常用语中的“正常”。正压力是指垂直（成直角）于两个接触表面的力。例如，一本放在桌子上的书，会受到桌子向上的正压力，从而阻止它掉落。如果你用手推墙，墙会对你的手施加一个水平的正压力（牛顿第三运动定律）；
—向心力，即保持旋转物体沿圆形轨迹运动，而不是沿直线飞出的力。想象一下，例如，你用绳子甩动一块石头。绳子中的张力拉动石头，使其沿圆形轨迹运动。如果你突然剪断绳子，就没有向心力作用在石头上了，它就会飞走，而不是继续沿圆形轨迹运动。在呼啦圈中，向心力来自于你的身体对呼啦圈的推动（摩擦力和正压力的结合）。
正如你将看到的，所有这些力的综合效应决定了呼啦圈的运动（牛顿第二运动定律）。
材料
铅笔
橡皮筋
准备
握住铅笔的橡皮擦端，笔尖朝上。
将橡皮筋套在铅笔上，使其滑落到你的手指处。
步骤
慢慢开始旋转铅笔。会发生什么？
继续加快旋转铅笔的速度。你必须旋转多快，橡皮筋才会开始向上移动？
停止旋转。会发生什么？
尝试快速旋转铅笔，使橡皮筋从笔尖飞脱。你能成功吗？
尝试在旋转铅笔时改变铅笔的角度。意思是，旋转铅笔时不要保持铅笔完全垂直。你可以用手指捏住橡皮擦端，并使笔尖绕圈旋转，描绘出一个三维圆锥体。如果你把这个“圆锥体”做得更宽，会发生什么？这会使橡皮筋更容易还是更难向上移动？
尝试在旋转铅笔时转动手腕，使铅笔变为水平，最终倒置（使笔尖朝下）。即使铅笔倒置，你还能让橡皮筋留在铅笔上吗？
附加内容：尝试使用不同尺寸的橡皮筋。哪个更容易旋转，大的还是小的？
观察与结果
在这个活动中，铅笔就像人的身体，橡皮筋就像呼啦圈。就像真正的呼啦圈一样，你应该已经发现，如果你旋转铅笔的速度不够快，橡皮筋就会掉落下来。当你旋转铅笔的速度越来越快，和/或使铅笔描绘出的圆锥体更宽时，橡皮筋应该开始向上移动，最终从笔尖飞脱！
为了理解这一点，你可以回顾背景部分的信息。还记得关于向心力和用绳子甩动石头的例子吗？石头“想要”保持直线运动，但来自铅笔的向心力使其沿圆形轨迹运动。橡皮筋的行为方式类似。它“想要”沿直线飞出，但来自铅笔的向心力使其沿圆形轨迹运动。如果你旋转铅笔的速度足够快，向心力就不足以将橡皮筋固定到位——所以它开始向外（和向上）滑动。这使得当您倒置握住铅笔时，几乎不可能将橡皮筋留在铅笔上。
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