不倒翁小姐姐为什么不会倒?

作者: 皮妹儿

来源: 费米科学

发布日期: 2019-12-18 11:13:27

本文详细解释了不倒翁为什么不会倒的物理原理,并追溯了不倒翁的历史,从唐朝的“捕醉仙”到日本的达摩不倒翁,以及它在数学领域的应用,即“冈布茨”。

最近网络上“大唐真人不倒翁”火的不行,还把不倒翁小姐姐送上了热搜。无数游客前往当地,只为一睹不倒翁小姐姐的风采。更有趣的是,此举还引发了“全民cos不倒翁”的热潮。这些都是假不倒翁,那么真正的不倒翁是如何做到不倒的呢?首先我们来看它的形状,通常不倒翁的上半部分是个质量较轻的物体,下半部分是质量偏重的实心半球体,它的重心很低,就在底部的半球体之中。如果反过来上半部分偏重,很大几率会倒。

这就像用一个鸡蛋立在桌面上,用大头那边往往能立住,而用小头那边基本都会倒。当不倒翁直立在平面上时,会受到两个力的作用,一个是重力G,一个是平面对它的反作用力,这两个力的大小是相等的。我们一起来复习一下中学物理,根据二力平衡定理,作用在同一物体的同一直线上,大小相等且方向相反的两个力就是平衡力,这也就是物体能保持静止不动的原因。

不倒翁的底部大而圆滑,与平面只有一个接触点,当它受到外力作用而倾斜时,原本在同一垂直线上的重心和平面接触点就改变了。在外力的作用下,重心会移到新接触点的左边或者右边,在这个过程中出现了一个概念,叫做力矩。力矩在物理学里是指作用力使物体绕着转动轴或支点转动的趋向。当不倒翁静止时,力矩为0。当受到外力倾斜时,重心和新的接触点不在同一直线上,并在重力的作用下就会绕接触点进行摆动,此时就会形成力矩。

这种力矩叫做抵抗力矩,正是因为抵抗力矩阻挡了外力的作用,再加上重力的原因,才会让不倒翁回到原位。当受到向左的力时,接触点向左改变,此时重心就移到了接触点的右边,不倒翁就会向右摆动;反之,就会向左摆动。当作用的外力越大时,不倒翁倾斜角度越大,从而重心到接触点的距离越大,抵抗力矩也随之增大,产生的摆动效果也就越大。理论上,如果抵抗力矩刚好与外力施加的力矩相等时,不倒翁还会出现一种倾斜着的平衡。

但是,如果外力过大,导致外力力矩大于抵抗力矩,此时不倒翁也是会倒的!所以在观看不倒翁小姐姐的表演时,为了安全起见,千万不要用力拉她。

不倒翁的历史可以追溯到唐朝流行的“捕醉仙”,这是一种劝酒工具,是缓解“社交尴尬”的好帮手。古时人们会将木头雕成一种下粗上细的人型,上面的人型又往往会涂成碧眼虬发的胡人形象,所以也叫“酒胡子”或者“劝酒胡”。

在唐代卢汪作的《酒胡子长歌》中写道:“胡貌类人,变有意趣,然而倾侧不定,缓急由人,不在酒胡也。”在喝酒时,将“捕醉仙”放在桌子上,由年长者转动,当它停下来时,指向谁谁就要喝酒。周而复始,其乐无穷。后来,有能人巧匠将“捕醉仙”进行改良,用纸或者泥土做成了各种各样大受欢迎的不倒翁玩具。

在世界上比较出名的不倒翁,还有日本的达摩。达摩是日本的一种不倒翁摆设,模仿的是佛教禅宗开祖达摩的坐禅姿。

根据日本古籍《倭名灯聚钞》记载,达摩不倒翁的原型正是唐朝的“酒胡子”,也就是“捕醉仙”。达摩是从什么时候开始成为日本吉祥物的代表之一呢?这还得从日本的达摩制作中心——高崎市说起。1676年,中国僧人心越禅师来到日本,1697年在日本高崎建寺。

根据达摩寺的广濑住持介绍,200多年前,当地发生饥荒,为了度过这场灾难,当时的住持以心越禅师的达摩坐禅像为原型,开始教当地人制作“开运达摩”,以此来增加收入,后来,达摩就逐渐成为了颇受人们欢迎的吉祥物。不同颜色的达摩可以祈求不同的方面,刚被制作出来的达摩眼睛通常是空白的,祈愿的时候画上一只眼睛,在愿望达成后再画上另外一只眼睛。

除了应用在玩具、摆设上,不倒翁还给了数学家灵感。

在数学领域上,有个跟“薛定谔的猫”差不多,玄而又玄的东西,它叫“冈布茨”。1995年俄罗斯数学家弗拉基米尔·阿诺尔德开了一个极大的脑洞,他想,世界上会不会存在一种特殊的三维凸均匀体,它们的形状各不相同,但却仅有一个稳定和一个不稳定的平衡点,可以像不倒翁一样推倒后还能站起来。与之不同的是,不倒翁是不均匀的,它的质量集中在下半部,而冈布茨是个均匀的物体。11年后,这个神奇的脑洞还真被证明了。

2006年,布达佩斯科技经济大学力学材料结构系主任加博尔·多莫科什和他之前的学生不仅证明了冈布茨的存在,还给构造了出来。不过冈布茨的实物制造很难,有着很严格的精确度,根据科学家的研究,每10厘米只容许有0.1毫米误差。最后还是提醒大家,为了生命安全,非专业人士请勿模仿哦!

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