一、不倒翁為什么不倒

不倒翁之所以不會(huì)倒，一方面是因?yàn)椴坏刮痰恼麄€(gè)身體都很輕，只是在它的底部有一個(gè)較重的東西（鉛塊或鐵塊），因此，它的重心很低。另一方面，不倒翁的底面積大而圓滑，容易擺動(dòng)。當(dāng)不倒翁向一邊傾斜時(shí)，由于支點(diǎn)（和桌面的接觸點(diǎn)）發(fā)生變動(dòng)，重心和支點(diǎn)就不再在同一條重垂線上了，這時(shí)重力的作用會(huì)使它繞支點(diǎn)擺動(dòng)，使不倒翁恢復(fù)正常的位置。不倒翁傾斜的程度越大，支點(diǎn)離開重心的水平距離就越大，重力產(chǎn)生的擺動(dòng)效果將隨著增加，使它恢復(fù)原位的趨勢(shì)也就越顯著，所以不倒翁是永遠(yuǎn)推不倒的。

用簡(jiǎn)單點(diǎn)的白話來(lái)說(shuō)，就是：上輕下重的物體比較穩(wěn)定，即重心越低越穩(wěn)定。所以不論不倒翁如何“跌倒”，它總會(huì)再次“爬起來(lái)”。

二、不倒翁不倒的原理和特征

1、形體結(jié)構(gòu)

不倒翁為空心殼體，重量很輕；下半身是一個(gè)實(shí)心的半球體，重量較大，不倒翁的重心就在半球體之內(nèi)。下面的半球體和支承面之間有一個(gè)接觸點(diǎn)，這個(gè)半球體在支承面上滾動(dòng)時(shí)，接觸點(diǎn)的位置就要發(fā)生改變。不倒翁始終用一個(gè)接觸點(diǎn)站立在支承面上，它永遠(yuǎn)是一個(gè)獨(dú)腳體。

2、穩(wěn)定性

不倒翁在受到外力的作用時(shí)，就要失去平衡，而在外力去除后，不倒翁能自行回復(fù)到平衡狀態(tài)，這說(shuō)明不倒翁具有一種抵抗外力干擾保持平衡的能力，這就是平衡的穩(wěn)定性。這種抵抗干擾保持平衡的能力的形成，應(yīng)該從不倒翁的受力情況來(lái)看。

3、受力情況

第一，不倒翁平衡的受力情況。不倒翁在桌面上，受到兩個(gè)外力的作用：一個(gè)是重力G，地球?qū)Σ坏刮痰奈Γ涣硪粋€(gè)是支持力，桌面對(duì)牛球體的反作用力。根據(jù)物體的平衡條件，只要這兩個(gè)力大小相等、方向相反、作用在一條直線上，不倒翁就能夠保持平衡的狀態(tài)。

第二，不倒翁傾斜的受力情況。不倒翁傾斜時(shí)受到兩個(gè)力矩的作用，我們稱外力的作用為干擾，外力形成干擾力矩；另一個(gè)叫抵抗力矩，由自身的重力形成。本來(lái)不倒翁是直立的，由于外力的作用，外力對(duì)不倒翁與制成面的接觸點(diǎn)產(chǎn)生力矩，使不倒翁傾斜，打破原來(lái)的平衡。此外，本來(lái)重力是不產(chǎn)生力矩的，因?yàn)楸緛?lái)不倒翁是直立的，重力的作用線和支點(diǎn)位于同一直線上，力矩為零。由于外力的作用，不倒翁傾斜，半球體向一側(cè)滾動(dòng)，接觸點(diǎn)隨之移動(dòng)，形成了新的接觸點(diǎn)，即形成了新的支點(diǎn)，此時(shí)重力的作用線和原支點(diǎn)不在同一直線上，因而形成力矩，這就是抵抗力矩。正是由于抵抗力矩的形成和發(fā)展，抵抗和制止了外力的干擾作用。抵抗力矩的方向和干擾力矩的方向正好相反，同時(shí)隨著不倒翁傾斜的角度不斷增大，重心作用線的偏移量也不斷增大，抵抗力矩的量值也不斷增大，當(dāng)?shù)挚沽氐扔诟蓴_力矩時(shí)，不倒翁就進(jìn)入新的平衡狀態(tài)--傾斜的平衡狀態(tài)，此時(shí)外力的干擾作用也就宣告停止。由此可知，不倒翁受到外力干擾后，原有的平衡破壞了，但新的平衡隨之形成，不倒翁可以接續(xù)地保持平衡，雖然平衡的方式不同，但平衡的本質(zhì)不變，這種便是動(dòng)態(tài)平衡。第三，不倒翁復(fù)原的受力情況。從勢(shì)能角度考慮，勢(shì)能低的物體比較穩(wěn)定，物體一定會(huì)向著勢(shì)能低的狀態(tài)變化。當(dāng)不倒翁倒下的時(shí)候，由于集中了大部分重心的底座被抬高，造成勢(shì)能增加，所以不倒翁要回復(fù)原來(lái)的位置。從杠桿原理來(lái)說(shuō)，不倒翁倒下時(shí)，重心的作用點(diǎn)一直處于端部，不管支點(diǎn)在哪里，雖然底座的力臂較短，但是力矩=力*力臂，不倒翁還是會(huì)因?yàn)榈鬃穷^力矩大而回復(fù)到原來(lái)位置。此外，不倒翁底部為圓形，摩擦力小，便于不倒翁回到原來(lái)位置。

在以上的整個(gè)過(guò)程中，建立新的平衡是其中主要的問(wèn)題，因?yàn)橹挥腥绱瞬拍艿种仆饬Φ母蓴_，而回復(fù)原有的平衡則是次要問(wèn)題，因?yàn)榇藭r(shí)外力的干擾已經(jīng)去除。在整個(gè)過(guò)程中不倒翁始終保持平衡的屬性，這便是"平衡的穩(wěn)定性"。

4、力學(xué)原理

綜上所述，不倒翁不倒原理的要點(diǎn)在于：使重力的作用線偏離支點(diǎn)，使重力對(duì)支點(diǎn)產(chǎn)生力矩，即抵抗力矩。由于不倒翁傾斜的角度不斷增大，重力作用線的偏移量隨之增大，抵抗力矩也隨之增大，最終實(shí)現(xiàn)和外力力矩的平衡，不倒翁抵抗外力干擾、保持平衡的能力就是這樣形成的。