不倒翁原理, 不倒翁原理
当不倒翁在直立状态下处于平衡状态时,重心与接触点的距离最小,即重心最低。偏离平衡位置后,重心总是上升。所以这种状态的平衡是一种稳定的平衡。所以不倒翁无论怎么荡,都不会倒。从杠杆的角度来看,
不倒翁下落时,其重心总是在末端。不管它的支撑点是什么,虽然底座上的力臂比柱子短,但是它的力矩比柱子本身轻很多,所以柱子上的力矩很大,柱子会回到原来的位置。
不倒翁主体结构
不倒翁是一个重量轻的空心壳体;下半身是实心半球,比较重,不倒翁重心在半球内。在下半球和轴承表面之间有一个接触点。当半球在轴承面上滚动时,接触点的位置会发生变化。
不倒翁永远站在有接触点的支撑面上,永远是独脚架。
不倒翁的受力分析
1.不倒翁平衡的压力。在桌面上,不倒翁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;另一个是支撑力,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,不倒翁就能保持平衡状态。
2.不倒翁倾斜的压力。当不倒翁倾斜时,它受到两个力矩的作用。我们称外力干涉的作用,外力形成干涉力矩。另一种叫阻力矩,是自身重力形成的。最初,不倒翁是直立的,但由于外力的作用,
外力在不倒翁与完成面的接触点上产生一个力矩,使不倒翁倾斜,打破了原有的平衡。
不倒翁原理的应用
1.不倒翁沙袋是一种常见的体育锻炼器材,依靠其铁质底盘来稳定重心,使大部分重量集中在很低的位置,上部只是很轻的软泡沫或其他物质,即使受到很强的外力,沙袋也不会倾倒。
还有粉丝底座,麦克风支架,公交站牌等等。
2.不倒翁原理带来的改进。从建筑设计和汽车结构来说,Xi安一千三百年的小雁塔历经数十次地震,历史地震三次裂,三次复。
特别是1556年的一场地震,把它从完整的56米的高度摇到了现有的43米的高度,但它的塔并没有倾斜,令人惊讶。小雁塔塔基周围地下直径约60米,夯土层由塔基外侧向中心逐渐加深,中心有数层青石。
塔基用砖砌成,地面上建有三米高的平台底座,正上方是塔身。这就使得这座塔整体像不倒翁,所以几千年来都没有大病过。
3.在设计制造汽车时,通过增加底盘占整个车身重量的比例,降低汽车重心,使汽车在紧急制动或转弯时保持平衡状态,避免碰撞、侧翻等危及生命安全的交通事故,利用不倒翁原理提高汽车的操纵性能。
4.圆锥体上的翻滚实验,拿着平衡杆的走钢丝者,科技馆里的太极拳下蹲姿势,都利用了不倒翁原理。
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