小玩具里藏科学

◎本刊综合

玩具是小朋友的伙伴。你们应该都玩过不少小玩具吧？可别小看这些小玩具，它们竟然蕴含着科学原理呢。

自动“下楼梯”的彩虹圈

彩虹圈是一种螺旋弹簧玩具，多采用塑料材质，色彩斑斓，仿佛穿着“彩虹衣”，非常好看。

玩法：

彩虹圈不仅可以拉伸着玩，更奇妙的是，我们把它的两个端面分别置于楼梯的两级台阶上，它在高处的端部会突然跃起，弯曲，落到低处台阶，然后另一端部跃起，重复这个过程，好像在翻着筋斗“下楼梯”。

小窍门：楼梯台阶高度要合适，彩虹圈才能顺利“下楼梯”。台阶不能比彩虹圈高太多，也不能太宽，否则彩虹圈中途会“摔倒”或停下来。

原理不简单：

能量可以被储存，不同形式的能量之间还可以相互转化。把铁球放在山坡上，它就有从高处往下滚的趋势，且高度越高，能量越大，这种能量是重力势能。当它真正开始往下滚时，重力势能变成动能，使其滚得越来越快。当它到达平地后，不再往下滚，能量全部用光。

彩虹圈不仅“下楼梯”时可以借助重力势能和动能之间的转化，它的弹簧结构还拥有弹性势能，无论你拉扯它还是挤压它，它都有往回弹的趋势。

彩虹圈的能量在重力势能、动能与弹性势能之间不断转化，直到彩虹圈落到平地，重力势能用完，它才会因为地面的阻力而停下来。

当彩虹圈被放在阶梯高处时，它存储了重力势能，“下楼梯”时，重力势能一点点转化成动能。下一层台阶后，动能会把彩虹圈压紧，这时动能转化成弹性势能。弹性势能让彩虹圈弹起，继续运动，落向下一层台阶。

隔球弹球的牛顿摆

牛顿摆是一种桌上玩具，由架子、金属球和吊绳组成。5个完全相同的金属球由吊绳吊在架子上，彼此紧密排列。

玩法：

你拿起最右侧的球，让它落下并撞到旁边的球，这时，只有最左侧的球会被弹飞，产生“隔山打牛”的效果。

当最右侧的两个球同时摆动并撞击其他球时，最左侧的两个球会被弹飞。

原理不简单：

能量可以在物体间传递。

被拿起后落下的第一个球拥有动能，当它碰到第二个球时，就把自己的动能传递给第二个球，变成了第二个球的能量。第二个球还没来得及移动，就把能量传给了第三个球，第三个球又把能量传给第四个球。当能量传到第五个球时，这个球没办法把能量传递出去，只能把能量转化成动能，摆了起来。

第五个球摆起后又会因为重力而落下，撞到第四个球，这时能量又沿着第四个球、第三个球、第二个球传回第一个球，再次让第一个球摆起来。

不过，最侧边的球不会一直摆来摆去。由于吊绳在摆动中摩擦生热，球也因碰撞发出声响，能量渐渐转化成热量和声能，当球的能量被转化完后，球就会停止摆动。

旋转时不倒的陀螺

陀螺是大家十分熟悉的玩具，从前多用木头制成，现在多为塑料或铁制，上半部分圆鼓鼓的，下半部分尖尖的，样子有些可爱。

玩法：

我们给陀螺施力，陀螺便会在地面上旋转，有时还边转边走。旋转时，陀螺是不会倒的，一旦倒下，旋转立马停止。

原理不简单：

陀螺是一种神奇的玩具，它的支撑点很小，但旋转时不会倒下。

在旋转时，陀螺不仅围绕自身的轴线自转，还围绕一个垂直轴做锥形运动，这种现象称为“进动”，也叫作“旋进”。也就是说，陀螺不是垂直立于地面上，而是向地面略微倾斜。

陀螺重力的力矩不为零，而陀螺的进动角动量可以平衡重力矩的作用，所以陀螺在旋转时不会倒向地面。

陀螺自转的速度决定陀螺摆动角的大小。陀螺转得越慢，摆动角越大，稳定性越差；转得越快，摆动角越小，稳定性就越好。

利用高速旋转来保持稳定的这种陀螺原理已经被广泛应用于我们的生活中，比如，在表演时，芭蕾舞演员需要踮起脚尖，才能像陀螺一样不停地旋转，否则根本无法用脚尖长时间支撑身体的重量，也不可能保持自身平衡。