歡迎來到小天馬戲團

這裡的表演者以倒立的姿勢優雅的平衡於椅子上方

展現了肢體藝術的力與美

但你有沒有想過？

表演中傾斜的椅子為什麼不會倒下？

是因為有作弊的機關嗎？

還是這神奇的現象

是可以被科學解釋的呢？

讓我們一起來看一個生活中的例子

你有沒有將書或籃球頂在指尖上旋轉的經驗呢？

如果你有過這樣的嘗試

應該不難發現

成功與否的關鍵來自適當的「支撐點」

你想到了嗎？

如果將手指放在左側的A點

可以觀察到鉛筆筆芯做順時針旋轉

而如果以右側的C點作為支撐點

則結果會剛好相反

鉛筆筆芯會逆時針旋轉

而只有將手指放在「正中央」的B點

鉛筆筆芯才能保持靜止不動喔

你也可以拿起手邊的書本

試試看是否能透過不斷的調整

找到能讓書平穩被指尖頂起的位置

經驗告訴我們

只要將手指頂在書本正中央的附近

旋轉的時候因為容易保持平衡

所以可以讓書穩定的在指尖上旋轉

從鉛筆筆芯和書本的平衡問題裡

我們可以瞭解到

如果將支撐點放在物體的重心下方

就可以使物體保持平衡

但如果像是「掃把」或是「高爾夫球桿」

這種頭重腳輕的物體當支撐點位於正中間的時候

反而無法順利的平衡

而是會倒向頭部的那一端

那麼當我們要尋找「不對稱」物體的平衡位置時

有沒有較快的方法找到他的重心呢？

我們來思考一下這時的物理狀態

透過左右調整

直到找到物體的平衡點

由於此時只要施力於「單一質點」

就可以將整個掃把或是高爾夫球桿支撐起來

於是我們將具有這種特性的點稱作物體的「重心位置」

除了透過左右移動的方式來尋找重心的位置

我們還可以透過懸掛法來快速找到不均勻物體的重心位置

利用一條繩線將物體掛起

一段時間後便會靜止不動

若稍微舉起物體的一端後放下

物體會來回晃動一下子

又回到剛剛的靜止狀態

此時物體的重心必會在懸掛點下方的鉛直線之中

換一個點再掛一次

依照相同的方法再做一次鉛直線

由於理由相同

重心同時也會落在這條線上

如此一來就能確定重心位置

就是在兩條線的交叉點上

除了幫助我們判斷平衡位置之外

重心的概念還會出現在哪裡呢？

讓我們先來複習運動學

我們將物體視為單一質點

來簡化運動的分析與討論

例如畫面中投手投出的球

由於不考慮空氣阻力

軌跡是拋物線

但並非物體中的每一個點都會有相同的運動方向和軌跡

例如

打者在擊球後需要馬上向壘包衝刺

便需要將球棒甩出

而球棒在落地前的運動

比起均勻對稱的棒球就相對複雜很多

這時我們仔細觀察球棒的運動

在落地前的過程中

球棒上的各點都會繞著重心旋轉

同時球棒的重心仍會做拋物線運動

雖然重心的運動並不能代表物體其它點的位置與速度

但是對於整體的趨勢判斷還是很有幫助

例如軍樂隊在拋槍時

就可以透過重心來預測軌跡

成功接住拋槍

回到一開始的問題

為何特技演員可以讓椅子頭下腳上的平穩站立呢？

根據前面的說明

我們可以瞭解到

重心就是物體所受重力的集中點

因此

只要將椅子「整體的重心」小心的擺在「支點的正上方」

此時椅子重量所造成的力矩和為零

便可以保持平衡而不轉動喔

讓我們再回顧一下前面的內容

在這集的影片中

我們介紹了尋找物體重心的方法

如果是對稱、均勻的物體

重心就位在物體的正中央

但如果是不均勻或形狀不規則的物體

由於重心可以作為重力的代表點

我們可以透過「懸掛法」

對任意兩支撐點分別作懸掛

就可以找到物體的重心

如果可以找到物體的重心

即使是每個點的運動方向和快慢皆不相同的物體

我們還是可以將重心作為整個物體的代表點

進而幫助我們預判物體運動的整體趨勢

影片的最後

我們再來思考一個例子吧

在搭公車時

是面向前方還是車門站立比較不容易跌倒呢？

你能利用前面學過的概念來回答這個問題嗎？

歡迎在下方留言告訴我們你的答案哦

我們下次見囉

bye bye