重心与平衡

实验器材

实验步骤

1

拿出一支拖把（也可以是球棒或是长棍类的物品），双手伸出食指，把拖把平稳地放在伸出的食指上面，我们试着找出它的重心。

2

闭上眼睛，将双手慢慢往中间移动，直到双手食指碰到彼此。

3

拿一根细绳，将在拖把上找到平衡点的地方用细绳绑一圈，再将拖把吊起来看看，拖把是不是呈现水平状态呢？

想想看，拖把上绑细绳的位置代表着什么呢？

4

现在来做一个神奇的平衡玩具吧！准备两把叉子与一个软木塞。

5

将两把叉子对称插进软木塞的两侧。

6

另外准备一个钻了洞的橡皮塞与一根竹筷，将竹筷插进橡皮塞的洞中作为平衡玩具的平台。

7

将叉子与软木塞的组合轻轻放在细细的竹筷上。哇！叉子竟然以奇妙的角度站在竹筷上了！

如果没有成功，可以试着再调整叉子的角度，慢慢找出能够平衡的位置，相信你一定可以成功的！

图解：重心与平衡

拖把的重心在哪里？我们可以在拖把上绑上细绳，找出能够使拖把呈现水平状态的支点，利用悬吊法来找出重心。找出重心后我们发现拖把的重心不是在正中央，而是在偏向拖把头的部分，毕竟拖把头的部分是比较重的。从杠杆原理知道，较重的一边距离支点的力臂距离要比较短，才能达到平衡，因此拖把的重心才会偏向拖把头那侧。

为什么叉子与软木塞的组合可以用如此奇妙的平衡方式稳稳站在竹筷上呢？不管是一个物品还是数个物品组合在一起，只要把重心的位置放在要立足的支点上，无论是多么奇特的摆设或姿势，都可以让物品达到平衡状态。

原来如此

一个物体的每个部分都受到重力的作用，我们将物体上的这些重力统合起来，视为集中于物体上的一个点，这个点就称为重心。重心是物理学上的一种假设，所有物体的重量不是只在一个点上，假设重心只是为了方便计算与测量，也可以说重心是物体重量的代表。

我们也可以利用杠杆原理来思考，先以一根细长的棍子举例，如果要让这根棍子达到平衡，必定是抓住棍子的中间那个点棍子才不会歪向一边，这个点就是棍子的重心。如果在这个重心的位置绑上细绳悬吊，棍子是不是呈现水平状态？绑上细绳的位置就是这根棍子杠杆中的支点，也就是说，如果找到棍子中呈现水平状态的支点位置，那这个支点位置就是棍子的重心。

如果要找重心的物品是方形的，甚至是不规则形状的，我们可以把它想成是由无限多根棍子杠杆组合起来的，每个杠杆都有个平衡的支点，所有杠杆的平衡支点统合起来也会有一个点代表所有支点的位置，那这个点就是整个物体的重心了。

如果是有规则形状的物体，如三角形、正方形，可以利用数学公式来找出重心，不过生活中有许多不规则的物品，我们可以利用绑上细绳让物体呈现水平的方法来找出重心位置，这个方法称为悬吊法。

那么特技演员们又是如何利用重心来达成平衡的呢？要维持平衡，重心必须在支点上。我们可以视特技演员脚踩的地方为整个平衡的支点，只要所有物品的重心最后都落在支点上，即使物品看起来再怎么摇摇欲坠，也能保持平衡的状态。

一点就通

不会倒的不倒翁

玩过不倒翁吗？不倒翁是最为人熟知的一种平衡玩具。不管怎么将不倒翁推倒、翻倒、踢倒，它都可以自己站起来，因此被许多人引喻为锲而不舍、努力不懈精神的象征，勉励人们力争上游，即使失败也要像不倒翁一样再站起来。

那么，从科学的角度来说，不倒翁不会倒的原理是什么呢？其实就是利用重心与支点的位置来达成平衡。你会发现不倒翁的设计几乎都是头轻脚重—头部细小、轻便，底部圆弧状非常宽大且厚重，这种设计的目的就是让不倒翁的重心下移，重心越往下移就会越稳。

如下图所示，当不倒翁静止时，重心垂直落在地面的支点达成平衡。如果推倒不倒翁，重心虽然不会移动，但是不倒翁在地面的支点却会往推倒的方向偏移。由于不倒翁的重心位置在推倒方向的另一侧，重心提供的重力又会给不倒翁施加一段力，使不倒翁往推倒方向的另一侧倾倒。等推倒的力道消失，不倒翁利用重心提供的力再重新站起来！这不是因为努力不懈的精神，而是力学原理使不倒翁自然而然站起来了！

像不倒翁一样能够永远保持站立的平衡，称为稳定平衡。不倒翁不会倒的关键在于重心的力永远在推倒的反向侧，不倒翁的重心必须足够低才可行。其他如高脚杯，由于重心位置比较高，推倒会使重心在推倒方向的同一侧，反而加剧推倒的力道，因此一推就会倒下无法站起来，这种又称为不稳定平衡。

选自《小牛顿实验王力的应用》，化学工业出版社，本刊被授予选载权。