核心概念
物理
质心
支点
力矩
引言
有没有想过平衡玩具是如何工作的？以不稳定平衡的方式娱乐大众的简单玩具在维多利亚时代很流行。这些看似违反重力的奇物可以在桌子的边缘来回摇晃，但保持相对稳定。
但它们是如何平衡的呢？秘密在于连接到玩具上的一个沉重但视觉上不引人注目的配重。我们的目光会更直接地被玩具的大型装饰部分吸引，这个部分描绘了一个在微小枢轴点上来回摇晃的人或动物。单独来看，玩具的这一部分看起来不稳定，这正是这些玩具如此吸引人的原因——它们不符合直觉；在旁观者看来，较大的元素应该会使整个装置失去平衡。
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对于这个有趣的实验，您无需去寻找任何百年古董玩具。您只需要一个锤子、一把尺子和一根粗橡皮筋。
背景知识
一个物体的质心是该物体质量集中的唯一点。对于具有均匀分布质量的简单对称物体（例如尺子），质心位于物体的几何中心（对于一英尺的尺子，刚好在六英寸标记处）。
对于形状更不规则的物体——例如骑自行车的人——您可能更熟悉“重心”一词，它指的是通过平均作用在该物体上的所有重力来识别的物体上的一个点。不要让这困扰您！为了我们的目的，将这两个概念视为相同是可以的，因为地球的重力对靠近其表面的小物体产生相对均匀的向下拉力。这样想：如果一个物体的一个区域的质量比另一个区域的质量大（例如，在自行车上的人而不是自行车的车轮），那么重力会向该区域施加更大的力。
让我们将此概念应用于坐在跷跷板两端的两个孩子。他们创建了一个简单的机械系统，该系统由一个杠杆（跷跷板的木板）、一个支点（木板可以倾斜的点）和几个砝码（孩子们）组成。如果两个孩子的体重相同，则系统的质心位于跷跷板木板的中心，并且直接位于支点上方。在跷跷板的一端放置一个较重的孩子，您就将系统的质心从支点移开了。重力施加到较重（因此较重）的系统一侧的较大力矩（或力）将较大的孩子拉到地面，同时将较小的孩子抬到空中。
材料
• 锤子
• 12 英寸尺子（塑料的也可以，但木头的更好）
• 粗橡皮筋
• 细绳（可选）
• 胶带（可选）
步骤
• 首先，拿起您的尺子，将其纵向放置在您的食指上并使其平衡。尝试使用尺子上六英寸的标记作为您的平衡点——这大致是尺子质心的位置，您会注意到它位于尺子的中间。这是因为我们的尺子是一个密度均匀的物体，并且形状使得它没有较重或较轻的一端。
• 将您的尺子平放在桌子上或书桌上。在它掉下来之前，您可以在桌子边缘上推多少英寸的尺子？ 回想一下我们之前假设的跷跷板。您会发现，一旦您将尺子的质心推到桌子的边缘（支点）上，重力就会向系统质量较大的一侧施加更大的力矩，而不是另一侧，将其拖到边缘并落到地板上。
• 现在，尝试确定您锤子上的质心。如果您纵向握住您的锤子，您能否通过将食指放在锤子长度中间的点下方来使其平衡？ 可能不能！实际上，您应该发现锤子的头比它的手柄重得多。我们可以推断出锤子的质心位于更靠近其头部的位置。
• 现在目标是使用我们的材料构建一个新的机械系统，使其质心尽可能靠近尺子的 0 英寸尖端。（提示：我们的锤子将充当配重。）再看看经典的 维多利亚平衡玩具 的结构。在了解了关于锤子质心的知识后，您认为当我们构建新系统时，锤子会放在哪里？
• 将您的橡皮筋环绕在您的锤子上，使其悬挂在中间附近的某个位置。（根据锤子手柄的平滑程度，您可能需要用胶带将橡皮筋固定到手柄上。如果您的橡皮筋弹性太大，您可以使用一个直径约为三英寸的细绳环代替）。
• 将橡皮筋环绕在您的尺子上。这个环的末端应该悬挂在尺子上 2 英寸标记附近。锤子手柄的末端应该与尺子相交，并在大约 8 英寸标记处与尺子形成锐角。
• 将尺子以零开始的一端靠近桌子的边缘。它平衡吗？ 尝试改变锤头相对于尺子尖端的位置。经过一些仔细的调整，您可以调整系统，使其质心位于尺子的最尖端。
• 一旦您的系统平衡了，请尝试将尺子的 0 英寸端越来越靠近桌子的边缘。通过这样做，您正在将系统的质心逐步移近支点，并且如果小心的话，您可以通过使您的系统仅在桌子边缘的一小部分上平衡来产生戏剧性的效果。
• 额外：如果您想创建更酷的视觉效果并使您的系统看起来更像维多利亚时代的平衡玩具，请在尺子的 12 英寸端放置一个非常轻的毛绒动物。（一个用维可牢尼龙搭扣的手抓住尺子末端的毛绒猴子是人群的最爱。）
观察和结果
让我们回顾一下我们假设的跷跷板。想象一下，更多的跷跷板木板被移动到支点的一侧，使跷跷板的那一侧比另一侧长得多（就像我们的尺子悬挂在桌子边缘一样）。如果您在跷跷板的较短一端放置一个足够大的人，该人的重量将向该端施加更大的合力矩，从而将跷跷板的较轻一端悬在空中。我们的锤头执行非常相似的功能，但是重力作用在锤子的质心上，它从桌子下方拉动尺子的 0 英寸尖端，而不是像孩子的体重那样向下推跷跷板的较短一端。
希望我们设法以科学的方式剖析了这种错觉。那么，为什么它在视觉层面上不能让我们产生直观的理解呢？锤子的手柄和尺子都显得“大”，而且它们都比“应该的”更远地悬挂在桌子的边缘。乍一看，我们的本能是想，“这怎么可能？”当然，答案在于锤头的质量比其较轻的木质手柄大，这使得其质心更靠近头部（随后位于桌子下方）。但这很少是我们首先想到的事情！
维多利亚时代的玩具利用了相同的人类感知倾向。想一想这些玩具的构造方式，您会注意到玩具的大型装饰部分由薄金属片组成，而玩具的配重虽然小而不显眼，但很重。
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本活动由 Education.com 合作推出