关键词
物理
质心
支点
力矩
简介
你有没有好奇过平衡玩具的原理是什么呢？这种简单的小玩具因为它不稳定的平衡性在维多利亚时期一度风靡。这个看起来是反重力的小玩意能在桌子的边缘来回摇晃却依然保持相对的稳定。
那么它们是怎么保持平衡的呢？玩具沉甸甸的但是有肉眼分辨不出的平衡力，它们保持平衡的秘密就藏在平衡力里哦。当一个玩具在一个小支点上来回摇摆，我们的眼睛更容易被玩具上大的，具有装饰性的部分所吸引。对这个玩具本身而言，大的具有装饰性的部分制造出了它们是不稳定的直观感觉，这也恰恰就是为什么这些玩具总是看起来这么的有趣。对观众来说，正是大一点的部分使整个奇妙的装置失衡的。
背景
物体的质心是一个神奇的点，物体的质量都集中在那里。对于一个简单对称的物体，它的质量如果是均匀分布的（比如尺子）那么它的质心就位于这个物体几何学的中心（对一个一英尺的尺子来说质心就在六英尺的标记上）。对于那些不规则的物体来说（比如一个在自行车上的人），你可能对另一个名词更加熟悉，那就是重心，重心是通过平均所有施加在物体上的重力作用后而找到的点。不要把这两个概念混淆！对我们来说，把两个概念想成一样的也是可以的，因为地球的重力对在它表面的小物体产生了一个相对统一的向下拉的力。你可以这样想：如果一个物体的一个位置上有很多的物质，而不是一个物体的某个部分（比如说一辆自行车上有一个人而不是自行车的轮子）那么那个位置上将会被施加更大的重力。
让我们把这个概念应用在两个孩子坐在跷跷板的这个事件上。孩子和跷跷板一同构建了一个简单的包括杠杆（跷跷板的木板），支点（木板的支撑点），两个重物（孩子）的力学系统。如果两个孩子一样重，这个系统的质心就在跷跷板的中心，垂直于支点向上的位置。如果换一个相对较重的孩子在跷跷板的一端，那么这个系统的质心就将不是支点。在这个系统中，重力对质量更大（更重）的物体施加了更大的力矩（力），于是更重的孩子被下沉到地面，而轻一点的孩子被抬到了空中。
材料
锤子
12英寸的尺子（塑料的就可以，但是木头的更好）
后橡胶带
绳子（任意）
胶带（任意）
实验步骤
首先，将尺子放在你的食指上并使它平衡。试着把六英寸标记的地方当做平衡点，这大概是尺子质心所在的位置，你会发现那也是尺子的中心。这是因为我们的尺子是具有统一的密度的，与此同时它的形状也决定了它不会一头重一头轻。
将尺子平放在桌子上。在尺子从桌子上掉落之前你能往桌子外面推动尺子多少英寸呢？试着想想我们之前假设的跷跷板模型吧。你会发现一旦你把尺子的质心向桌子的边缘（支点）推动，重力会将力矩施加在这个系统中更重的一方，使尺子从桌子的边缘掉落在地面。
现在，试着去找找你的锤子的质心吧。如果你竖着拿着锤子，你能把锤子放在你的食指上，在锤子长度一半的位置使它平衡么？当然不能！事实上，你会发现锤头会比把手重一些。我们可以推测锤子的质心在锤头附近的位置。
现在我们的目标就是应用我们的材料建立一个新的力学系统，使得质心能在尺子0英尺的刻度附近（我们的锤子将成为一个平衡物）。另外看一看维多利亚时期的平衡玩具是怎么制造的。你现在知道你将了解到锤子的质心在哪里，那你有想过锤子在我们的新系统中要发挥怎样的作用么？
将橡胶带打成环系在锤子上，使它靠近中间的位置能挂在别的地方（这取决于把手有多滑，你可以用胶带把橡胶带黏在把手上。如果你的橡胶带非常有弹性，你也可以用绳子打一个直径大约三英寸的环来固定你的橡胶带。）。
将橡胶带打成环系在你的尺子上。这个环的末端应该靠近尺子2英寸的标识。锤子把手的末端硬应该与尺子8英寸标识的位置相交叉并形成一个锐角。
把尺子平放在桌子上，尺子零刻度的边缘靠近桌子的边缘。看看它平衡了么？试试改变一下尺端锤子的位置。仔细调整之后你可以再稍微调整一下这个系统这样它的质心就会位于尺子所占据桌子的非常非常小的一个部分。
一旦你的系统平衡以后，就试着推尺子的零刻度端，让它向桌子边缘无限靠近。做这件事的时候，你就是在使这个系统的质心向支点逐步靠近，如果你十分细心，你可以让你的系统在桌子边缘的一点点面积内保持平衡从而制造出一个绝妙的效果。
拓展：如果你想让你的作品更有视觉冲击力，更酷一点，就像维多利亚时期的平衡玩具一样，放一个很轻的填充动物玩具在尺子12英寸刻度的位置（一个猴子形状的填充玩具挂在尺子的末端，用尼龙搭扣让他的手臂环抱，这样的作品一定会大受欢迎。）。
观察和结果
让我们再回到之前提到的跷跷板猜想。想想看是不是大多数的跷跷板的木板都是支点的一端被抬高的，并且这一端的木板会比另一端长一些（就像我们超出桌子边缘的尺子）。如果你让一个足够重的人坐在跷跷板短臂的一端，那么这个人的质量将会施加更大的净力矩给这一端，从而让轻的一端被抬高到空中。我们做实验时用的锤头就起到了同样的作用，但不同于孩子坐在跷跷板的短臂端把跷跷板压下去，作用于锤子质心的重力使得尺子零刻度位置免于落地。
但愿我们成功的分析出了这个幻象的科学依据。那么这个系统为什么不能给我们以视觉上的直观感受呢？锤子的把手和尺子在我们看来都是大的，同时他们也都在距离桌子边缘很远的地方悬挂着，这看起来是不可能的。第一眼看上去，我们会本能的想“这是怎么做到的？”。当然，答案就藏在锤子的头部，它比木质的把手重很多，这样锤子的质心会跟靠近锤头的位置（在桌子下端的某处）。然而这并不是我们看到这个神奇现象能想到的第一件事。
维多利亚时期的平衡玩具就是利用了人们的认知趋势。想想看这些玩具是怎么制造的吧，你会发现那些又大又装饰精美的部分都是用薄薄的一篇金属制造的，而玩具的平衡物虽然又小又不起眼，但是很重。
（翻译 谢紫薇）
京公网安备11010502039775号
