核心概念
物理
質心
支點
力矩
引言
有沒有想過平衡玩具是如何工作的？以不穩定平衡的方式娛樂大眾的簡單玩具在維多利亞時代很流行。這些看似違反重力的奇物可以在桌子的邊緣來回搖晃，但保持相對穩定。
但它們是如何平衡的呢？秘密在於連線到玩具上的一個沉重但視覺上不引人注目的配重。我們的目光會更直接地被玩具的大型裝飾部分吸引，這個部分描繪了一個在微小樞軸點上來回搖晃的人或動物。單獨來看，玩具的這一部分看起來不穩定，這正是這些玩具如此吸引人的原因——它們不符合直覺；在旁觀者看來，較大的元素應該會使整個裝置失去平衡。
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對於這個有趣的實驗，您無需去尋找任何百年古董玩具。您只需要一個錘子、一把尺子和一根粗橡皮筋。
背景知識
一個物體的質心是該物體質量集中的唯一點。對於具有均勻分佈質量的簡單對稱物體（例如尺子），質心位於物體的幾何中心（對於一英尺的尺子，剛好在六英寸標記處）。
對於形狀更不規則的物體——例如騎腳踏車的人——您可能更熟悉“重心”一詞，它指的是透過平均作用在該物體上的所有重力來識別的物體上的一個點。不要讓這困擾您！為了我們的目的，將這兩個概念視為相同是可以的，因為地球的重力對靠近其表面的小物體產生相對均勻的向下拉力。這樣想：如果一個物體的一個區域的質量比另一個區域的質量大（例如，在腳踏車上的人而不是腳踏車的車輪），那麼重力會向該區域施加更大的力。
讓我們將此概念應用於坐在蹺蹺板兩端的兩個孩子。他們建立了一個簡單的機械系統，該系統由一個槓桿（蹺蹺板的木板）、一個支點（木板可以傾斜的點）和幾個砝碼（孩子們）組成。如果兩個孩子的體重相同，則系統的質心位於蹺蹺板木板的中心，並且直接位於支點上方。在蹺蹺板的一端放置一個較重的孩子，您就將系統的質心從支點移開了。重力施加到較重（因此較重）的系統一側的較大力矩（或力）將較大的孩子拉到地面，同時將較小的孩子抬到空中。
材料
• 錘子
• 12 英寸尺子（塑膠的也可以，但木頭的更好）
• 粗橡皮筋
• 細繩（可選）
• 膠帶（可選）
步驟
• 首先，拿起您的尺子，將其縱向放置在您的食指上並使其平衡。嘗試使用尺子上六英寸的標記作為您的平衡點——這大致是尺子質心的位置，您會注意到它位於尺子的中間。這是因為我們的尺子是一個密度均勻的物體，並且形狀使得它沒有較重或較輕的一端。
• 將您的尺子平放在桌子上或書桌上。在它掉下來之前，您可以在桌子邊緣上推多少英寸的尺子？ 回想一下我們之前假設的蹺蹺板。您會發現，一旦您將尺子的質心推到桌子的邊緣（支點）上，重力就會向系統質量較大的一側施加更大的力矩，而不是另一側，將其拖到邊緣並落到地板上。
• 現在，嘗試確定您錘子上的質心。如果您縱向握住您的錘子，您能否透過將食指放在錘子長度中間的點下方來使其平衡？ 可能不能！實際上，您應該發現錘子的頭比它的手柄重得多。我們可以推斷出錘子的質心位於更靠近其頭部的位置。
• 現在目標是使用我們的材料構建一個新的機械系統，使其質心儘可能靠近尺子的 0 英寸尖端。（提示：我們的錘子將充當配重。）再看看經典的 維多利亞平衡玩具 的結構。在瞭解了關於錘子質心的知識後，您認為當我們構建新系統時，錘子會放在哪裡？
• 將您的橡皮筋環繞在您的錘子上，使其懸掛在中間附近的某個位置。（根據錘子手柄的平滑程度，您可能需要用膠帶將橡皮筋固定到手柄上。如果您的橡皮筋彈性太大，您可以使用一個直徑約為三英寸的細繩環代替）。
• 將橡皮筋環繞在您的尺子上。這個環的末端應該懸掛在尺子上 2 英寸標記附近。錘子手柄的末端應該與尺子相交，並在大約 8 英寸標記處與尺子形成銳角。
• 將尺子以零開始的一端靠近桌子的邊緣。它平衡嗎？ 嘗試改變錘頭相對於尺子尖端的位置。經過一些仔細的調整，您可以調整系統，使其質心位於尺子的最尖端。
• 一旦您的系統平衡了，請嘗試將尺子的 0 英寸端越來越靠近桌子的邊緣。透過這樣做，您正在將系統的質心逐步移近支點，並且如果小心的話，您可以透過使您的系統僅在桌子邊緣的一小部分上平衡來產生戲劇性的效果。
• 額外：如果您想建立更酷的視覺效果並使您的系統看起來更像維多利亞時代的平衡玩具，請在尺子的 12 英寸端放置一個非常輕的毛絨動物。（一個用維可牢尼龍搭扣的手抓住尺子末端的毛絨猴子是人群的最愛。）
觀察和結果
讓我們回顧一下我們假設的蹺蹺板。想象一下，更多的蹺蹺板木板被移動到支點的一側，使蹺蹺板的那一側比另一側長得多（就像我們的尺子懸掛在桌子邊緣一樣）。如果您在蹺蹺板的較短一端放置一個足夠大的人，該人的重量將向該端施加更大的合力矩，從而將蹺蹺板的較輕一端懸在空中。我們的錘頭執行非常相似的功能，但是重力作用在錘子的質心上，它從桌子下方拉動尺子的 0 英寸尖端，而不是像孩子的體重那樣向下推蹺蹺板的較短一端。
希望我們設法以科學的方式剖析了這種錯覺。那麼，為什麼它在視覺層面上不能讓我們產生直觀的理解呢？錘子的手柄和尺子都顯得“大”，而且它們都比“應該的”更遠地懸掛在桌子的邊緣。乍一看，我們的本能是想，“這怎麼可能？”當然，答案在於錘頭的質量比其較輕的木質手柄大，這使得其質心更靠近頭部（隨後位於桌子下方）。但這很少是我們首先想到的事情！
維多利亞時代的玩具利用了相同的人類感知傾向。想一想這些玩具的構造方式，您會注意到玩具的大型裝飾部分由薄金屬片組成，而玩具的配重雖然小而不顯眼，但很重。
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