Физические игрушки. Устойчивое равновесие.

Многие детские игрушки позволяют проиллюстрировать те или иные физические принципы, явления, законы.

Игрушки: 1) занимательны, активизируют интерес и внимание учеников, 2) связывают мир «обычных» вещей с миром физических законов, учат видеть «физику» всюду,  - потому их нужно использовать в обучении. 

Отведём игрушкам место в нашем музее физики. Мы уже поместили там калейдоскоп, колыбель Ньютона. (Понятие игрушка можно рассматривать широко. Большой адронный коллайдер разве не является в какой-то мере игрушкой для учёных-физиков?)

С помощью следующих «экспонатов» иллюстрируются понятия: центр тяжести (центр масс), устойчивость, условие устойчивого равновесия.

1. Ванька-встанька

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
« …Мой характер не сломить,
      меня никак не положить,
      Хоть старайся, расстарайся,
      никогда тому не быть».

Если при отклонении тела от положения равновесия возникают силы, возвращающие его обратно, то такое равновесие называют устойчивым.

Ванька-встанька (или неваляшка) возвращается всегда в вертикальное положение – значит, это есть положение его устойчивого равновесия. Для тела, находящегося в состоянии устойчивого равновесия, выполняется условие: центр тяжести тела занимает самое низкое возможное положение. Если при попытке вывести тело из положения равновесия, центр тяжести поднимается, то такое равновесие будет устойчивым.

 

У Ваньки-встаньки в нижней части находится тяжёлый полушар. Центр тяжести полушара – точка С – при наклоне приподнимается.  В самом деле, расстояние CD больше расстояния АС. Значит, равновесие в первом случае устойчиво.

Для тела, опирающегося на одну точку, в состоянии равновесия центр тяжести находится на одной вертикали с точкой опоры (на первом рисунке СА – вертикаль).  (Замечание. Рисунок взят из «Элементарного учебника физики» под ред. Ландсберга, но исправлена неточность. У Ландсберга отрезок СВ нарисован вертикальным (B – точка касания полушара и плоскости), что может быть только в состоянии равновесия. На выделенное выше жирным шрифтом у Ландсберга не обращено внимание.)

При отклонении от положения равновесия возникает момент силы, возвращающий тело в равновесное состояние с наинизшим положением центра масс.

Многие пытались удерживать в равновесии на ладони или кончике пальца биллиардный кий, школьную указку или большую линейку, как это показано на рисунке. (Рисунок взят отсюда: Хилькевич С. С.Ю »Физика вокруг нас», Библиотечка «Квант», Выпуск 40. Москва, Наука, 1985)

 

 Когда кий падает в какую-нибудь сторону, вы перемещаете в эту же сторону ладонь, чтобы точка опоры неизменно была на одной вертикали с центром тяжести кия строго под ним. Такое равновесие нельзя назвать устойчивым, т. к. силой, возвращающей тело в положение равновесия, является внешняя сила  руки, а не сила тяжести.
 
 
 
 
 
 
 
 
По принципу «неваляшки» изготовляют разные вещи: солонка и перечница для кухни, часы,  чашка для малышей, шахматные фигуры.

2. Парящий орёл

Центр тяжести (центр масс) тела может находиться вне тела, если это тело имеет сложную форму. Центр тяжести орла находится ниже точки подвеса на одной вертикали с ней, занимая самое низкое положение. При отклонении от положения равновесия центр тяжести приподнимается, сила тяжести и сила реакции подвеса не уравновешиваются, равнодействующая этих сил (красная стрелочка) возвращает тело к положению равновесия. Значит, это равновесие будет устойчивым. (Мы заменили опору на подвес, т. к. это не меняет картины, – фигурку орла можно подвесить за клюв.)

 Это же явление, – кажущегося удивительным равновесия, – можно наблюдать в следующем занимательном опыте.

 

3. Подставка для бутылки


(Такую подставку можно купить в винном магазине или сделать самим.)

Если тело опирается не на одну точку, а на несколько точек (например, стол) или на площадку (например, ящик), тогда условие равновесия чуть изменится. Чтобы тело находилось в равновесии, необходимо, чтобы вертикаль, проведённая через центр масс, пересекала контур, ограниченный опорными точками, или площадку, служащую опорой для тела.

Вертикаль, проведённая из центра тяжести бутылки, попадает внутрь опорной площадки, потому равновесие устойчиво. Если наклонить бутылку так, что вертикаль выйдет за пределы опорной площадки, – конструкция опрокинется.

 Ссылки: О ВАНЬКЕ-ВСТАНЬКЕ, ЦЕНТРЕ ТЯЖЕСТИ И РАВНОВЕСИИ

Парадоксальное равновесие

 

google.com bobrdobr.ru del.icio.us technorati.com linkstore.ru news2.ru rumarkz.ru memori.ru moemesto.ru

12 ответов to “Физические игрушки. Устойчивое равновесие.”

  1. С бутылкой прикольно! Я б такое сделал, ради интереса

  2. Схема в общем-то ясна, раньше все дети имели неваляшки

  3. Спасибо за видео, дети любят такие игрушки. А будет ли инструкция как сделать автомобили?

  4. Зачем так детей напрягать? Они нынче в школе и так перегружены.

  5. Именно сменой центра тяжести можно бросить кости на 6.

  6. Теперь мне стало всё ясно, благодарю за нужную информацию. doneck-portal.ru

  7. подскажите где можно еще найти информацию о принципах работы игрушек?

  8. Отличное видео… легко все понять про игрушки

  9. Прикольно. Так все научно у вас…

  10. Не, видео не вкл.

  11. таким можно запросто развлеч кого-нить. Увидят и глазам не поверят. Утащил в закладки.

  12. интересные вещи! на такие игрушки маленькие детки с большим интересом реагируют,у нас такого богатства много-покупаем здесь cars-and-dolls.com.ua .после этой статьи,попробуем еще и сами мастерить)

Оставьте комментарий