一道高中物理题:坐在椅子上向后仰,到什么程度才会倒?
文:准已婚妇女
编辑:一个AI
坐在椅子上向后靠,总会不自觉地感觉想象椅子会翻,然后,然后,就真的翻了……
连人带椅子一起往后倒的那一瞬,除了后悔,大家有没有认真思考过这个问题:椅子到底向后仰到什么水平才会倒呢?油管一位名叫grady hillhouse的up主在他的视频里就给出了这个问题的答案。
令物体旋转的“力矩”
为了弄清楚整个问题,我们得先搞明白三个重点名词的意思:力,力矩和静力平衡。受过九年义务教育的同学应该都记得,力是物体间的相互作用,那,力矩是什么?
这得请出我们高中物理题的圣物:放在千万光滑平面上的刚体小物块。
没有受到任何力的小物块,或者说所受合力为零的小物块,是静力平衡的。如果我们陆续给它一个向右的力,小物块会一直向右加速运动,这时,它是静力不平衡的。
为了让它重新回到静力平衡的状态,我们需要再给小物块一个大小相同,方向相反的力。
但是,这两个力不仅需要大小相等,方向相反,它们还需要在同一直线上。如果这两个力不在一条直线上,小物块就会开始旋转,此时,我们就可以称这对力为力矩。
一个物体要保持平衡,不仅需要合力为零,也需要合力矩为零!
可以控制的平衡
当我们坐在椅子上,身体向后仰翘起半边凳子的时候,我们身体的中心(重力作用点)会绕着椅子后腿与地面接触的那一点旋转。
如果我们只是翘着凳子而脚不用力,重力就会在旋转点处产生一个顺时针方向的力矩。这个力矩会使我们以旋转点为中心旋转顺时针,让椅子的前脚重新回到地面上。
但是,百无聊赖的我们还是会用双脚撑地向后仰,地面给我们的支撑力会围绕旋转点产生一个逆时针的力矩,与重力产生的顺时针力矩相平衡。
此时,我们的力与力矩都不妨在控制下达到平衡的。
悬在空中的平衡
但是,当我们继续向后仰,重心会绕着旋转点慢慢向后移,直到我们的重心移到了旋转点的正上方,我们就会遇到一个意外的平衡情况。
因为我们所受的所有力都处在同一条直线上了,所以力矩消失了。这时候,我们不妨在空中维持这个微妙的平衡。这大概是翘椅子的人最享受的瞬间了。
但事实上这个状态很难维持,当中心继续向后移,变到旋转点的左边的时候,一瞬间,情况发生了难以逆转的改变——
失去平衡
一旦到达这个状态,重力就无法使你顺时针向前旋转了,而是会拖着你越来越往后仰。换句话说,它在转动点处产生的力矩已经由顺时针变为了逆时针。
要命的是,我们的双脚只能产生支撑力,它能产生的还是逆时针的力矩——也同样只能让你仰的越来越厉害。
所以,无法得到顺时针的力矩来均衡,我们只能一直向后倒下去。
下次无聊的时候,找找那个临界点吧,也不失为一个杀工夫的好方法呢。
友情提示:练习平(shuai)衡(dao)的时辰,一定要记得保护好你的头。
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