稳定性试验场 · 让重力线说话

稳住这件展品。

运输车倾斜了。
把重物放低、放中间,还是把底座加宽?
先试一种办法,再松开夹持,检验它能不能站住。

问题的来处公元前 3 世纪 · 阿基米德与平衡

不用搬走重物,也能改变它的平衡吗?

在《论平面图形的平衡》中,阿基米德研究杠杆平衡和重心。重物放在哪里,和它有多重一样,都是理解平衡的关键。

读一段背景,带着问题动手

在《论平面图形的平衡》中,阿基米德研究杠杆平衡和重心。重物放在哪里,和它有多重一样,都是理解平衡的关键。

重心把分散的重量联系成一个可用于分析的位置。古代的几何研究为理解平衡提供了方法;本页进一步用重力作用线与支撑边缘分析倾覆趋势,是现代教学模型,并非原著装置的复原。降低重心通常能增加抗倾倒的角度,但仍要结合支撑宽度和配重位置判断。

现在,换你来试先移动配重,再倾斜台面并松开夹持。观察重力线是否越过支撑边缘,比较同一倾角下,高配重和低配重的稳定余量。

你来布置,重力来检验

夹持预览
G · 重心

拖动蓝色配重,或用滑块改变位置。金色 G 是整体重心,虚线是竖直重力线,橙线围出原支撑面。

当前只预览条件,尚未释放。
小步调整

先把台面慢慢倾斜,看看金色落点何时走出支撑面。

保留这组,再试另一组

同样重,只改变高度。

把当前条件留作 A,调整 B 的配重高度。两把落点尺,把变化留在眼前。

先准备一个想比较的姿态,再保留 A。对照保留在当前页面。

释放后,观察变化

站住,还是绕边缘翻倒?

松开后才开始运动。下方静态判据对应释放前的条件。

释放后时间
0.00 s
相对台面转角
0.0°
角速度
0.0°/s

公式解释刚才的变化

重量的位置,
比“有多重”更关键。

总重心由架与配重共同决定。重力线落在支撑面内,才有恢复方向的力矩。

整体重心 xG / yG
0.0 / 62.5 cm
原姿态重力线落点 q
13.3 cm
最近边缘恢复力矩
6.42 N·m
向左 / 向右临界倾角
25.6° / 25.6°

xG = m·x / (M+m)
yG = (M·h/2 + m·y) / (M+m)

M=2 kg,m=2 kg;xG=0,yG=0.625 m

q = xG + yG·tanθ
d = b/2 − |q|

q=0+0.625·tan12°,d=0.3−|q|

τ = (M+m)·g·cosθ·d

g=9.81 m/s²;正值为恢复方向,负值为翻倒方向

先说出你的想法

同样重,放在哪里更稳?

保持支撑宽度、配重质量和倾角不变,只移动配重高度。

选一个想法,再点“把配重放低”演示,用临界角和余量检验。

把发现变成设计

让展品通过
20° 运输斜坡。

松开夹持前,给它留出至少 3 cm 的稳定余量。你可以移动配重、改变质量或加宽支撑;倾角必须保持 20°。

准备后会给你一件容易翻倒的展品。试着只改变一个条件。

从实验台走向生活

纸盒和几枚硬币,
也能验证你的设计。

  1. 用小纸盒固定几枚硬币,先放在上方、再放在底部。保持硬币数量相同。
  2. 在防滑板上慢慢抬高一端,观察何时开始翻倒。板边加挡条防止先滑动,安排柔软接落处。
  3. 再把硬币移向一侧,比较左倾与右倾。一次只改一个条件,记录临界倾角。

运输车把货物放低、不倒翁把配重放低,背后都有重心与支撑的关系。想一想:只把一件形状不变的展品所有质量同时加倍,会不会改变临界角?

这个模型的边界

模型是按均匀矩形刚体近似的架与固定点配重,高 1.2 m,深 0.5 m;所有距离按 SI 单位计算,读数常换成 cm。图案不是具体实物的测量。

只沿左右方向倾斜,支点不滑动且摩擦足够。失稳后绕边缘受重力转动,首次侧面接触台面就停止,不模拟滑动、碰撞反弹或材料变形。实际装置可能先滑动。

夹持预览可以保持失稳姿态;释放前公式是原姿态的判据。翻倒或落地后不能把原支撑面当成新的接触面。恰好在边缘是临界平衡,微小扰动会影响结果。

先预测,再用证据解释

把这次发现,留给下次的自己

同样倾角下,把配重放低会怎样改变稳定余量?

换个条件,再试一次

保持底宽、质量和倾角,只改变配重高度,比较释放前余量与释放后结果。

看哪里?

三维看夹持释放和转动;二维看支撑边、重力线与稳定余量。

回到装置再试 ↑

仅此浏览器保存最近两组,第三组替换最早一组。条件、预测和解释一起保存;文字不自动判分。与原实验的临时记录分别保存。

尚未保存。启用交互后可以记录;请勿在这里填写个人身份信息。

先修与两种探索深度

认识重力线、支撑范围与力矩。

先看现象:调整配重高度,再松开夹持

再做定量:合重心为质量加权平均;重力线越过支撑边时绕边的重力矩促使翻倒。

模型、来源与核验边界

合重心为质量加权平均;重力线越过支撑边时绕边的重力矩促使翻倒。

解析核验提示:对称平放时重力线通过支撑中部;固定横向偏置与倾角,降低重心可增大余量。

适用范围:刚体与理想支点;忽略滑动、材料弹性与冲击,不能当真实运输认证。

圣安德鲁斯大学 MacTutor · Archimedes(平衡与重心)(历史/延伸阅读;解析关系见本卡,尚未获外部审阅) ↗

本页为模型探索,未认证具体教材章节;真实学生和教师反馈尚待推广后收集。