不倒翁是何原理

不倒翁是何原理~

不倒翁原理

不倒翁是一种历史悠久的玩具，特别受到各个年代儿童们的喜爱。清代文人魏崧在《壹是纪始》写到：“不倒翁始于唐。”他据《唐摭言》中的记载：“卢连举不第，赋《酒胡子》长篇以寓意，序日：‘巡觞之胡，旋转由人。’今谓之不倒”，这便是不倒翁的最初模型。而后渐渐流传至今，演变成为哄逗幼儿的玩具，给儿童乃至大人们增添了无穷乐趣。那么，在我们学习了大学《理论力学》之后，便可以较为确切的从力学上来分析不倒翁的原理，并了解其在日常生活生产中的相关应用。

一、力学原理

最常见的不倒翁是纸身、泥底，即用纸浆灌模或用废纸粘糊成形，再用泥土 制成半圆形的底座，将二者粘合好之后，再在外表糊上净纸，施以彩绘而成；也有的用木头做底，底部中心固定上铁块和小石子；还有用小葫芦挖净内瓤，内部灌铅做成的“葫芦”；今天还有用鸡蛋壳、旧乒乓球做成的小不倒翁。所有的这些不倒翁都有相同的特点：上半身为空心壳体、下半身是一个实心的半球体，底部为圆形。这些特点使它们具有了一致的基本力学结构，都能达到“不倒”的效果。

1．不倒翁的形体结构
　 不倒翁为空心壳体，重量很轻；下半身是一个实心的半球体，重量较大，不倒翁的重心就在半球体之内。下面的半球体和支承面之间有一个接触点，这个半球体在支承面上滚动时，接触点的位置就要发生改变。不倒翁始终用一个接触点站立在支承面上，它永远是一个独脚体。
　　2．不倒翁的平衡的稳定性
　　不倒翁在受到外力的作用时，就要失去平衡，而在外力去除后，不倒翁能自行回复到平衡状态，这说明不倒翁具有一种抵抗外力干扰保持平衡的能力，这就是平衡的稳定性。这种抵抗干扰保持平衡的能力的形成，应该从不倒翁的受力情况来看。
　　3．不倒翁的受力情况有三种
第一，不倒翁平衡的受力情况。 不倒翁在桌面上，受到两个外力的作用：一个是重力G，地球对不倒翁的吸引力；另一个是支持力，桌面对牛球体的反作用力。根据物体的平衡条件，只要这两个力大小相等、方向相反、作用在一条直线上，不倒翁就能够保持平衡的状态。
　　第二，不倒翁倾斜的受力情况。不倒翁倾斜时受到两个力矩的作用，我们称外力的作用为干扰，外力形成干扰力矩；另一个叫抵抗力矩，由自身的重力形成。本来不倒翁是直立的，由于外力的作用，外力对不倒翁与制成面的接触点产生力矩，使不倒翁倾斜，打破原来的平衡。此外，本来重力是不产生力矩的，因为本来不倒翁是直立的，重力的作用线和支点位于同一直线上，力矩为零。由于外力的作用，不倒翁倾斜，半球体向一侧滚动，接触点随之移动，形成了新的接触点，即形成了新的支点，此时重力的作用线和原支点不在同一直线上，因而形成力矩，这就是抵抗力矩。正是由于抵抗力矩的形成和发展，抵抗和制止了外力的干扰作用。抵抗力矩的方向和干扰力矩的方向正好相反，同时随着不倒翁倾斜的角度不断增大，重心作用线的偏移量也不断增大，抵抗力矩的量值也不断增大，当抵抗力矩等于干扰力矩时，不倒翁就进入新的平衡状态——倾斜的平衡状态，此时外力的干扰作用也就宣告停止。由此可知，不倒翁受到外力干扰后，原有的平衡破坏了，但新的平衡随之形成，不倒翁可以接续地保持平衡，虽然平衡的方式不同，但平衡的本质不变，这种便是动态平衡。
　　第三，不倒翁复原的受力情况。从势能角度考虑，势能低的物体比较稳定，物体一定会向着势能低的状态变化。当不倒翁倒下的时候，由于集中了大部分重心的底座被抬高，造成势能增加，所以不倒翁要回复原来的位置。从杠杆原理来说，不倒翁倒下时，重心的作用点一直处于端部，不管支点在哪里，虽然底座的力臂较短，但是力矩＝力＊力臂，不倒翁还是会因为底座那头力矩大而回复到原来位置。此外，不倒翁底部为圆形，摩擦力小，便于不倒翁回到原来位置。

在以上的整个过程中，建立新的平衡是其中主要的问题，因为只有如此才能抵制外力的干扰，而回复原有的平衡则是次要问题，因为此时外力的干扰已经去除。在整个过程中不倒翁始终保持平衡的属性，这便是“平衡的稳定性”。
　　4．力学原理小结
　　综上所述，这个原理的要点在于：使重力的作用线偏离支点，使重力对支点产生力矩，即抵抗力距。由于不倒翁倾斜的角度不断增大，重力作用线的偏移量随之增大，抵抗力矩也随之增大，最终实现和外力力矩的平衡，不倒翁抵抗外力干扰、保持平衡的能力就是这样形成的。

二、不倒翁原理的应用

不倒翁力学原理在人们的生产生活中有着广泛的应用。在建筑设计、玩具制造、生活用品、汽车结构设计以及体育健身等方面，不倒翁原理不仅带给了人们乐趣，人们还对“上轻下重的物体因重心低而更加稳定”加以充分利用，较大的提高了各种设施的常见的不倒翁玩具 不倒翁式水杯 不倒翁式沙袋

在玩具、生活用品、体育器材方面，如上图所示：不倒翁杯为涉及一种杯状盛物的器皿，其特征是：上轻下重内空，加厚的圆弧形底部，重量集中于杯体底部中心，底部接触面很小，移动时杯体可摇晃。不倒翁沙袋是一种常见的体育锻炼器械，它依靠其铁质材料的底盘来稳定重心，使绝大部分的重量都集中在很低的位置，上部仅为很轻的软质泡沫或其他物质,即使受到较强的外力作用，沙袋也不会倾倒。类似的还有电扇底座、话筒架、公共汽车站牌等。 西安小雁塔 汽车操控性能因不倒翁原理而提高

在建筑设计、汽车结构方面，如上图所示：有1300年历史的西安小雁塔，历经几十次地震而不倒，史载大地震曾使其3次开裂又3次复合，尤其是1556年的一次地震将其由56米的完整高度震为43米的现存高度，但是至今其塔身不倾斜，让人惊奇。原因何在？小雁塔塔基四周直径60米左右的地下，由外至塔基中心处的夯土层逐渐加深，中心部位是数层青石，上面用砖砌出塔基，同时地面垒了三米高的台基，其正上方才是塔身。这使得此塔整体上好似不倒翁一般，故虽经千年而无大恙。汽车在设计制造时，通过增加底盘占整个车体重量的比例，降低汽车的重心，可以使汽车在紧急刹车或者转弯时，保持平衡状态，避免撞车、翻车等危及生命安全的交通事故的发生，用不倒翁原理提高了汽车的操控性能。

此外，我们在科技馆看到的“锥体上滚”实验，手持平衡棒的走钢丝杂技演员，太极拳里面的身体半蹲姿势等，都利用到了不倒翁原理。

三、感悟

一个简简单单的力学原理，就可以带给我们这么多的创造和乐趣，在我完成这篇文章时，我深深地感受到了自然科学的力量。

学习好《理论力学》等基础的自然科学课程，对我们今后的个人发展，乃至为推动人类社会的进步，都有着十分重要的意义。就像不倒翁一样，我们现在学习的知识，正是不倒翁那个厚重的底座部分，底座的重量达到要求，才能使我们更高层次的学习永远立于不败之地。

不倒翁的工作原理是使重力的作用线偏离支点，使重力对支点产生力矩，即抵抗力距。由于不倒翁倾斜的角度不断增大，重力作用线的偏移量随之增大，抵抗力矩也随之增大，最终实现和外力力矩的平衡，不倒翁抵抗外力干扰、保持平衡的能力就是这样形成的。
从杠杆原理来说，不倒翁倒下时，重心的作用点一直处于端部，不管支点在哪里，虽然底座的力臂较短，但是力矩=力*力臂，不倒翁还是会因为底座那头力矩大而回复到原来位置。此外，不倒翁底部为圆形，摩擦力小，便于不倒翁回到原来位置。
上轻下重的物体比较稳定，也就是说重心越低越稳定。当不倒翁在竖立状态处于平衡时，重心和接触点的距离最小，即重心最低。偏离平衡位置后，重心总是升高的。因此，这种状态的平衡是稳定平衡。所以不倒翁无论如何摇摆，总是不倒的。

扩展资料
最常见的不倒翁是纸身、泥底，即用纸浆灌模或用废纸粘糊成形，再用泥土 制成半圆形的底座，将二者粘合好之后，再在外表糊上净纸，施以彩绘而成；也有的用木头做底，底部中心固定上铁块和小石子；还有用小葫芦挖净内瓤，内部灌铅做成的"葫芦"。
还有用鸡蛋壳、旧乒乓球做成的小不倒翁。所有的这些不倒翁都有相同的特点：上半身为空心壳体、下半身是一个实心的半球体，底部为圆形。这些特点使它们具有了一致的基本力学结构，都能达到“不倒”的效果。
利用重心这种特点，还可以做许多有趣的实验和解释一些现象。如可以做一个斤头虫，把一粒胶囊打开，装入一个小滚珠，即可来回翻跟头。我们常见一个盒子只放在桌上一点，但却不掉下去，这是因为盒子靠桌子的一头，是"重心"所在，所以盒子悬空，但不掉下来。
参考资料：百度百科-不倒翁

不倒翁是一种历史悠久的玩具，特别受到各个年代儿童们的喜爱。清代文人魏崧在《壹是纪始》写到：“不倒翁始于唐。”他据《唐摭言》中的记载：“卢连举不第，赋《酒胡子》长篇以寓意，序日：‘巡觞之胡，旋转由人。’今谓之不倒”，这便是不倒翁的最初模型。而后渐渐流传至今，演变成为哄逗幼儿的玩具，给儿童乃至大人们增添了无穷乐趣。那么，在我们学习了大学《理论力学》之后，便可以较为确切的从力学上来分析不倒翁的原理，并了解其在日常生活生产中的相关应用。

一、力学原理

最常见的不倒翁是纸身、泥底，即用纸浆灌模或用废纸粘糊成形，再用泥土 制成半圆形的底座，将二者粘合好之后，再在外表糊上净纸，施以彩绘而成；也有的用木头做底，底部中心固定上铁块和小石子；还有用小葫芦挖净内瓤，内部灌铅做成的“葫芦”；今天还有用鸡蛋壳、旧乒乓球做成的小不倒翁。所有的这些不倒翁都有相同的特点：上半身为空心壳体、下半身是一个实心的半球体，底部为圆形。这些特点使它们具有了一致的基本力学结构，都能达到“不倒”的效果。

1．不倒翁的形体结构
　 不倒翁为空心壳体，重量很轻；下半身是一个实心的半球体，重量较大，不倒翁的重心就在半球体之内。下面的半球体和支承面之间有一个接触点，这个半球体在支承面上滚动时，接触点的位置就要发生改变。不倒翁始终用一个接触点站立在支承面上，它永远是一个独脚体。
　　2．不倒翁的平衡的稳定性
　　不倒翁在受到外力的作用时，就要失去平衡，而在外力去除后，不倒翁能自行回复到平衡状态，这说明不倒翁具有一种抵抗外力干扰保持平衡的能力，这就是平衡的稳定性。这种抵抗干扰保持平衡的能力的形成，应该从不倒翁的受力情况来看。
　　3．不倒翁的受力情况有三种
第一，不倒翁平衡的受力情况。 不倒翁在桌面上，受到两个外力的作用：一个是重力G，地球对不倒翁的吸引力；另一个是支持力，桌面对牛球体的反作用力。根据物体的平衡条件，只要这两个力大小相等、方向相反、作用在一条直线上，不倒翁就能够保持平衡的状态。
　　第二，不倒翁倾斜的受力情况。不倒翁倾斜时受到两个力矩的作用，我们称外力的作用为干扰，外力形成干扰力矩；另一个叫抵抗力矩，由自身的重力形成。本来不倒翁是直立的，由于外力的作用，外力对不倒翁与制成面的接触点产生力矩，使不倒翁倾斜，打破原来的平衡。此外，本来重力是不产生力矩的，因为本来不倒翁是直立的，重力的作用线和支点位于同一直线上，力矩为零。由于外力的作用，不倒翁倾斜，半球体向一侧滚动，接触点随之移动，形成了新的接触点，即形成了新的支点，此时重力的作用线和原支点不在同一直线上，因而形成力矩，这就是抵抗力矩。正是由于抵抗力矩的形成和发展，抵抗和制止了外力的干扰作用。抵抗力矩的方向和干扰力矩的方向正好相反，同时随着不倒翁倾斜的角度不断增大，重心作用线的偏移量也不断增大，抵抗力矩的量值也不断增大，当抵抗力矩等于干扰力矩时，不倒翁就进入新的平衡状态——倾斜的平衡状态，此时外力的干扰作用也就宣告停止。由此可知，不倒翁受到外力干扰后，原有的平衡破坏了，但新的平衡随之形成，不倒翁可以接续地保持平衡，虽然平衡的方式不同，但平衡的本质不变，这种便是动态平衡。
　　第三，不倒翁复原的受力情况。从势能角度考虑，势能低的物体比较稳定，物体一定会向着势能低的状态变化。当不倒翁倒下的时候，由于集中了大部分重心的底座被抬高，造成势能增加，所以不倒翁要回复原来的位置。从杠杆原理来说，不倒翁倒下时，重心的作用点一直处于端部，不管支点在哪里，虽然底座的力臂较短，但是力矩＝力＊力臂，不倒翁还是会因为底座那头力矩大而回复到原来位置。此外，不倒翁底部为圆形，摩擦力小，便于不倒翁回到原来位置。

在以上的整个过程中，建立新的平衡是其中主要的问题，因为只有如此才能抵制外力的干扰，而回复原有的平衡则是次要问题，因为此时外力的干扰已经去除。在整个过程中不倒翁始终保持平衡的属性，这便是“平衡的稳定性”。
　　4．力学原理小结
　　综上所述，这个原理的要点在于：使重力的作用线偏离支点，使重力对支点产生力矩，即抵抗力距。由于不倒翁倾斜的角度不断增大，重力作用线的偏移量随之增大，抵抗力矩也随之增大，最终实现和外力力矩的平衡，不倒翁抵抗外力干扰、保持平衡的能力就是这样形成的。

二、不倒翁原理的应用

不倒翁力学原理在人们的生产生活中有着广泛的应用。在建筑设计、玩具制造、生活用品、汽车结构设计以及体育健身等方面，不倒翁原理不仅带给了人们乐趣，人们还对“上轻下重的物体因重心低而更加稳定”加以充分利用，较大的提高了各种设施的常见的不倒翁玩具 不倒翁式水杯 不倒翁式沙袋

在玩具、生活用品、体育器材方面，如上图所示：不倒翁杯为涉及一种杯状盛物的器皿，其特征是：上轻下重内空，加厚的圆弧形底部，重量集中于杯体底部中心，底部接触面很小，移动时杯体可摇晃。不倒翁沙袋是一种常见的体育锻炼器械，它依靠其铁质材料的底盘来稳定重心，使绝大部分的重量都集中在很低的位置，上部仅为很轻的软质泡沫或其他物质,即使受到较强的外力作用，沙袋也不会倾倒。类似的还有电扇底座、话筒架、公共汽车站牌等。 西安小雁塔 汽车操控性能因不倒翁原理而提高

在建筑设计、汽车结构方面，如上图所示：有1300年历史的西安小雁塔，历经几十次地震而不倒，史载大地震曾使其３次开裂又３次复合，尤其是１５５６年的一次地震将其由５６米的完整高度震为４３米的现存高度，但是至今其塔身不倾斜，让人惊奇。原因何在？小雁塔塔基四周直径６０米左右的地下，由外至塔基中心处的夯土层逐渐加深，中心部位是数层青石，上面用砖砌出塔基，同时地面垒了三米高的台基，其正上方才是塔身。这使得此塔整体上好似不倒翁一般，故虽经千年而无大恙。汽车在设计制造时，通过增加底盘占整个车体重量的比例，降低汽车的重心，可以使汽车在紧急刹车或者转弯时，保持平衡状态，避免撞车、翻车等危及生命安全的交通事故的发生，用不倒翁原理提高了汽车的操控性能。

此外，我们在科技馆看到的“锥体上滚”实验，手持平衡棒的走钢丝杂技演员，太极拳里面的身体半蹲姿势等，都利用到了不倒翁原理。

不倒翁原理

上轻下重的物体比较稳定，也就是说重心越低越稳定。当不倒翁在竖立状态处于平衡时，重心和接触点的距离最小，即重心最低。偏离平衡位置后，重心总是升高的。因此，这种状态的平衡是稳定平衡。所以不倒翁无论如何摇摆，总是不倒的。再比如像我们在科技馆看到的“锥体上滚”实验，也是这个道理，由于锥体的形状和两边轨道的形状，使它的重心在下降，但看起来好像在上升，向上滚与生活中的事实不符合。但它只是一种假像，看到它的本质，还是重心降低了，因此重心越低越稳定。在生活中为增加物体的稳定性，我们常采用加重下面的重量，如电扇底座、话筒架、公共汽车站牌等。

利用重心这种特点，还可以做许多有趣的实验和解释一些现象。如可以做一个斤头虫，把一粒胶囊打开，装入一个小滚珠，即可来回翻跟头。我们常见一个盒子只放在桌上一点，但却不掉下去，这是因为盒子靠桌子的一头，是“重心”所在，所以盒子悬空，但不掉下来。走钢丝的杂技演员，手持平衡棒也是为降低重心，达到平衡的目的。

不倒翁的自制方法：选用球形塑料中药丸的包装盒，这种盒可以从中间打开，正好是两个半球。在一个半球内放入适量的橡皮泥或湿胶泥，成为不倒翁的底部，在另一个半球外粘一个圆锥形的帽子，成为不倒翁上部。将两个半球扣合后，画上面部，就制成了。

重心在底部

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沁水县18552266972： 不倒翁不倒的原理是什么? - ？
壬雷云南： 不倒翁底部的球面对应的球心高于其重心,这样,当不倒翁倾斜时过支撑点的垂线总偏离过重心的垂线,使得过重心的重力与支点之间产生转动力矩,直到重心恢复到与球心、支持点同在一垂线上.

沁水县18552266972： 不倒翁的原理是什么? - ？
壬雷云南： 不倒翁原理 上轻下重的物体比较稳定,也就是说重心越低越稳定.当不倒翁在竖立状态处于平衡时,重心和接触点的距离最小,即重心最低.偏离平衡位置后,重心总是升高的.因此,这种状态的平衡是稳定平衡.所以不倒翁无论如何摇摆,总...

沁水县18552266972： 不倒翁不到的原理是什么? - ？
壬雷云南： 轻下重的物体比较稳定,也就是说重心越低越稳定.当不倒翁在竖立状 不倒翁 态处于平衡时,重心和接触点的距离最小,即重心最低.偏离平衡位置后,重心总是升高的.因此,这种状态的平衡是稳定平衡.所以不倒翁无论如何摇摆,总是不倒的

沁水县18552266972： 请讲出不倒翁的物理原理 - ？
壬雷云南：[答案] 1.势能低的物体比较稳定,物体一定会向着势能低的状态变化. 当不倒翁倒下的时候,由于集中了大部分重心的底座被抬高,造成势能增加,所以不倒翁要回复原来的位置. 2.从杠杆原理来说,不倒翁倒下时,重心的作用点一直处于端部,不管支点在...

沁水县18552266972： 不倒翁初中物理原理 - ？
壬雷云南： 原来,它的重心比较低.当你将它倾斜以后,它的重力与它的着地点之间就产生了一个力矩,由于这个力矩的作用,使不倒翁要恢复原来的状态,所以不倒翁就不停地摇摆起来,就是不会倒下去.所以,重心一低,稳度也就大大地提高了. 参考资料:http://wenwen.sogou.com/z/q858184558.htm

沁水县18552266972： 不倒翁的工作原理是? - ？
壬雷云南： 不倒翁原理 上轻下重的物体比较稳定,也就是说重心越低越稳定.当不倒翁在竖立状态处于平衡时,重心和接触点的距离最小,即重心最低.偏离平衡位置后,重心总是升高的.因此,这种状态的平衡是稳定平衡.所以不倒翁无论如何摇摆,总...

沁水县18552266972： 不倒翁是什么原理啊, - ？
壬雷云南：[答案] 不倒翁原理1.势能低的物体比较稳定,物体一定会向着势能低的状态变化.当不倒翁倒下的时候,由于集中了大部分重心的底座被抬高,造成势能增加,所以不倒翁要回复原来的位置.2.从杠杆原理来说,不倒翁倒下时,重心的作用点一...

沁水县18552266972： 不倒翁的制作原理(物理)详细一点~! - ？
壬雷云南： 物体的稳态有几种情况 其中重心离接触面最近时是最稳的,所谓不倒翁就是利用这个,他通过设计是正立是接触点刚好离离重心最近.

沁水县18552266972： 不倒翁的原理 - ？
壬雷云南： 不倒翁原理 1.势能低的物体比较稳定,物体一定会向着势能低的状态变化. 当不倒翁倒下的时候,由于集中了大部分重心的底座被抬高,造成势能增加,所以不倒翁要回复原来的位置. 2.从杠杆原理来说,不倒翁倒下时,重心的作用点一直处于端部,不管支点在哪里,虽然底座的力臂较短,但是力矩=力*力臂,不倒翁还是会因为底座那头力矩大而回复到原来位置. 3.还有就是底部为圆形,摩擦力小,便于不倒翁回到原来位置.在偏底部中间的地方. 这样重心低,可以提高稳定程度,使其不易倾倒,或翻身. ＂形状规则＂的物体重心在它的几何中心,不倒翁的外形看起来象只蛋,但是为了提高稳定程度,设计者在里面的底部放了很重的东西,如水泥,米粒,砂石等.

沁水县18552266972： 不倒翁是根据什么原理做成的? - ？
壬雷云南： 不倒翁是根据重心降低的原理,保持弧形底面的物体垂直树立.