科学小实验 | 摆酷的小小易拉罐

亲子时间：约1分钟

亲子指数：★★★★☆

难度指数：★☆☆☆☆

推荐指数：★★★★★

适合年龄：≥3岁

01 有趣的玩具"不倒翁"

不倒翁，一种古老又神奇的儿童玩具。用手轻轻摇两下，它会摇摇摆摆又恢复直立状态。

说起不倒翁的原理，常人往往脱口而出"不就是上轻下重底盘稳嘛！"没错！

如果你还能提到类似于"重心低"之类的科学词汇。那就更没错了！

但是，为什么重心低就稳呢？你们知道吗？

今天太极熊家庭实验室就通过一个科学小实验"摆酷的小小易拉罐"来演示这个看起来不算问题的问题吧。

文/视频：太极熊家庭实验室

02实验器材

1、 易拉罐一个； 2、适量水(或饮料)； 3、水杯一个(也可不用)

03实验过程

1、将易拉罐里的饮料倒约四分之三进杯子，或者用杯子向空易拉罐里倒入约四分之一的液体（饮料或水）。

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2、小心地将易拉罐倾斜放置，易拉罐可以稳稳地立在桌面上。用手轻轻拨动，它会旋转起来而不翻倒。

04实验释疑

大家都知道，如果易拉罐中充满液体或者空罐都很难斜立而不倒。但是在实验中， 我们清楚的观察到，当盛有少量液体的易拉罐能够斜立。即使用手轻轻拨动，易拉罐也只是懒洋洋的旋转两下，却没有翻倒。这是因为：

1、我们在实验中看到易拉罐斜立，保持静止状态。在经典力学层面，易拉罐要达到静止的平衡状态，其所受外力必须大小相等，方向相反，并作用在一条直线上。本实验中，易拉罐所受外力仅有重力和桌面施加的支撑力。因此，我们只需要通过手动调整易拉罐，使其所受重力和支撑力大小相等，方向相反，并作用在一条直线上。

2、易拉罐斜立时，支撑力的实际作用点是其底部与桌面接触的两个点，其合力的等效作用点必然处于这两个点之间的某个位置。若要易拉罐斜立而不倒，最关键的问题是调整其重心的位置。使其重力的作用点与支撑力的作用点处于同一条竖直线上，否则将会出现转矩而倾倒。

3、装满水或完全空的易拉罐，其重心近似处于罐内几何中心位置。如将该易拉罐向左倾斜，则其重心方向位于支撑力方向左侧，因此无法保持平衡而倾倒。当我们倒掉一部分罐内液体后，调整易拉罐的重心位置，使其逐渐向右下角移动。大约剩下1/5~1/3液体时，重心可以处于支撑力作用点一条竖直线上，所以我们可以使其斜立而不倒。

05 你知道吗？

不倒翁的原理，简单来说是物体重心越低越稳定。底部重物不流动，故不倒翁的重心对其自身来说是确定的，处于重物底部的中心区域。当不倒翁竖立时，它是平衡静止的，重心与支撑力作用点处于一条竖直线上，且重心的空间位置最低。若将不倒翁斜立后，重心的空间位置总是升高的。从重力势能的角度讲，它有向下运动，降低重力势能的趋势。从力学的角度讲，不倒翁还受到桌面的支撑力，方向与重力相反，且此时支撑力的作用点和重心不再处于同一条竖直线上，产生力矩，这样不倒翁就会发生摆动（或转动），趋向于恢复竖立状态。

从以上分析可以看出，不倒翁的重心越低，当它发生偏斜时，重力作用线与支撑力作用线之间的垂直距离就越大，产生的力矩也越大（同样大的重力时），不倒翁回弹就越容易。

06 科学笔记

我们在网上浏览新闻的时候经常可以看到有的小朋友，因为在玩激光笔的时候把眼睛灼伤。有的朋友不仅会疑问，一只小小的激光笔竟然有那么大的危害，可以将眼睛灼伤。

重力（Gravity）：目前定义尚有争议，一般认为是万有引力与惯性力共同作用的合力，其方向总是竖直向下。

重心（Center of Gravity）：物体各部分所受重力之合力的等效作用点。物体的重心，不一定在物体上，有可能在物体之外。对于规则的均匀物质来说，重心可认为在其几何中心。

07注意事项

本实验中用到的易拉罐中饮料含糖量高，请适量饮用。

免责申明：实验及操作具有一定的危险性，请家长陪同孩子严格按照实验步骤依次操作，试验过程中发生的任何安全事故，与太极熊家庭实验室公众号无关。