核心概念
物理學
地心引力
摩擦力
向心力
正壓力
旋轉運動
牛頓運動定律
導言
你擅長玩呼啦圈嗎？如果不太擅長，也不用擔心——你可以透過這個有趣的實驗專案來體驗。你只需要一支鉛筆和一根橡皮筋，就能探索呼啦圈背後的迷人物理學原理。
背景
呼啦圈完全是關於力的！當你玩呼啦圈時，你可能不會過多地考慮物理學，但實際上有許多不同的力在起作用，幫助呼啦圈保持旋轉並防止它掉到地上。力是對物體施加的推或拉。力可以使物體移動，但僅僅因為某物沒有移動，並不意味著它沒有受到任何力的作用。例如，如果你現在正坐在椅子上，椅子會對你施加一個向上的力，阻止你掉到地上。相反，僅僅因為某物正在移動，並不一定意味著它受到了力的作用。一個以恆定速度移動的物體，如果沒有力使其減速（牛頓第一運動定律），將永遠沿直線運動下去。
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那麼，有哪些力作用在呼啦圈上呢？
—重量，或者說是將呼啦圈向下拉的地心引力；
—摩擦力，即阻礙兩個表面相互滑動的力（在本例中，是呼啦圈和你的衣服之間的摩擦力）；
—正壓力。在物理學中，“正”的意思是“垂直於”，而不是日常用語中的“正常”。正壓力是指垂直（成直角）於兩個接觸表面的力。例如，一本放在桌子上的書，會受到桌子向上的正壓力，從而阻止它掉落。如果你用手推牆，牆會對你的手施加一個水平的正壓力（牛頓第三運動定律）；
—向心力，即保持旋轉物體沿圓形軌跡運動，而不是沿直線飛出的力。想象一下，例如，你用繩子甩動一塊石頭。繩子中的張力拉動石頭，使其沿圓形軌跡運動。如果你突然剪斷繩子，就沒有向心力作用在石頭上了，它就會飛走，而不是繼續沿圓形軌跡運動。在呼啦圈中，向心力來自於你的身體對呼啦圈的推動（摩擦力和正壓力的結合）。
正如你將看到的，所有這些力的綜合效應決定了呼啦圈的運動（牛頓第二運動定律）。
材料
鉛筆
橡皮筋
準備
握住鉛筆的橡皮擦端，筆尖朝上。
將橡皮筋套在鉛筆上，使其滑落到你的手指處。
步驟
慢慢開始旋轉鉛筆。會發生什麼？
繼續加快旋轉鉛筆的速度。你必須旋轉多快，橡皮筋才會開始向上移動？
停止旋轉。會發生什麼？
嘗試快速旋轉鉛筆，使橡皮筋從筆尖飛脫。你能成功嗎？
嘗試在旋轉鉛筆時改變鉛筆的角度。意思是，旋轉鉛筆時不要保持鉛筆完全垂直。你可以用手指捏住橡皮擦端，並使筆尖繞圈旋轉，描繪出一個三維圓錐體。如果你把這個“圓錐體”做得更寬，會發生什麼？這會使橡皮筋更容易還是更難向上移動？
嘗試在旋轉鉛筆時轉動手腕，使鉛筆變為水平，最終倒置（使筆尖朝下）。即使鉛筆倒置，你還能讓橡皮筋留在鉛筆上嗎？
附加內容：嘗試使用不同尺寸的橡皮筋。哪個更容易旋轉，大的還是小的？
觀察與結果
在這個活動中，鉛筆就像人的身體，橡皮筋就像呼啦圈。就像真正的呼啦圈一樣，你應該已經發現，如果你旋轉鉛筆的速度不夠快，橡皮筋就會掉落下來。當你旋轉鉛筆的速度越來越快，和/或使鉛筆描繪出的圓錐體更寬時，橡皮筋應該開始向上移動，最終從筆尖飛脫！
為了理解這一點，你可以回顧背景部分的資訊。還記得關於向心力和用繩子甩動石頭的例子嗎？石頭“想要”保持直線運動，但來自鉛筆的向心力使其沿圓形軌跡運動。橡皮筋的行為方式類似。它“想要”沿直線飛出，但來自鉛筆的向心力使其沿圓形軌跡運動。如果你旋轉鉛筆的速度足夠快，向心力就不足以將橡皮筋固定到位——所以它開始向外（和向上）滑動。這使得當您倒置握住鉛筆時，幾乎不可能將橡皮筋留在鉛筆上。
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