對(duì)一個(gè)匪夷所思的力學(xué)現(xiàn)象的剖析

摘 要：本文運(yùn)用受力分析的方法，并結(jié)合杠桿平衡原理，分析一個(gè)看似讓人困惑的力學(xué)現(xiàn)象中，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定平衡的原因;并給出形成該現(xiàn)象的其它兩種可能的原因.

關(guān)鍵詞：木架;系統(tǒng);杠桿平衡條件;重心;懸空

中圖分類號(hào)：G633.7???? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B???? 文章編號(hào)：1008-4134（2021）14-0049-03

作者簡(jiǎn)介：王偉民（1964-），男，安徽太和人，本科，中學(xué)高級(jí)教師，研究方向：中學(xué)物理教學(xué).

前段時(shí)間，火山視頻中有人發(fā)了一段讓人匪夷所思的視頻——將兩個(gè)相同的“]”型看似像木制的裝置用三根細(xì)線連接后，將其中一個(gè)放在水平桌面上，手拿著另外一個(gè)按圖1所示情形放在空中，松手之后，懸空的那個(gè)“]”型木架竟然像被什么神奇的外力托住似的穩(wěn)穩(wěn)地靜止于空中，如圖2所示.即便在它的上面放一個(gè)重物，如圖3所示，懸空的木架在水平晃動(dòng)幾次后便可保持靜止不動(dòng)的穩(wěn)定平衡狀態(tài).

筆者翻看視頻評(píng)論，大部分人認(rèn)為裝置里面暗藏機(jī)關(guān)，比如一些網(wǎng)友認(rèn)為兩個(gè)看似木制的框架，應(yīng)該暗藏了幾個(gè)強(qiáng)磁性磁鐵，懸空木架能夠平衡是利用了磁極間的相互作用規(guī)律而懸浮平衡的，其原理就如同磁懸浮列車能夠懸浮于軌道上方一樣.而視頻中的幾根細(xì)線只是用來(lái)微調(diào)兩個(gè)木架之間的豎直距離的.也有少數(shù)人認(rèn)為這種平衡不是利用磁極間的相互作用，而是利用兩個(gè)木架間繩子的牽拉和懸空木架重力之間的關(guān)系而使懸空木架平衡的，但具體原因卻無(wú)法說(shuō)得清楚.當(dāng)然，視頻評(píng)論人大多是普通民眾，沒(méi)有足夠的知識(shí)儲(chǔ)備可以從科學(xué)角度闡釋其平衡的原理.那么，從物理學(xué)受力的角度分析，該現(xiàn)象究竟是如何形成的？我們又如何闡釋這個(gè)看似不可思議而又實(shí)際存在的力學(xué)現(xiàn)象呢？

筆者以為，利用磁極間的相互作用的確可以呈現(xiàn)這種神奇的視覺(jué)平衡效果，但技術(shù)難度應(yīng)該比較復(fù)雜.從視頻截圖中可以看出，平衡時(shí)兩個(gè)木架之間在豎直方向上有相當(dāng)寬的距離，比人的手掌還要寬，如果單憑磁場(chǎng)力要托起那么大的懸空木架（可以想象其重力也不會(huì)很小，特別是木架上放置重物之后，懸空木架整體重力會(huì)更大），就要求磁體的磁性非常的強(qiáng)，而且，如果裝置質(zhì)量分布均勻的話，懸空的“]”型木架的重心應(yīng)該在木架上下高度中點(diǎn)的上方偏右的位置——因?yàn)閼铱漳炯苌厦嫠讲糠植粌H長(zhǎng)度更長(zhǎng)，而且有三根木條，所以，單憑磁場(chǎng)力想要托起懸空的木架，并且使木架處于穩(wěn)定平衡是不容易控制的，除非木架所受的磁場(chǎng)力的“力心”（即磁場(chǎng)力合力的等效作用點(diǎn)）在木架的重心之上方可使木架穩(wěn)定平衡，但是控制并改變磁體對(duì)懸空木架中磁體作用力的“力心”應(yīng)該不是一件容易做到的事情，畢竟在懸空木架上方放置重物之后整個(gè)裝置仍可保持平衡狀態(tài).

筆者的觀點(diǎn)是，用一般的木制材料按視頻中顯示的比例做成兩個(gè)木架（其他材質(zhì)的也可），當(dāng)連接它們的三根細(xì)線的長(zhǎng)度及細(xì)線固定端的位置合適時(shí)，在連線拉力和懸空木架自身重力作用下，很容易達(dá)到穩(wěn)定平衡狀態(tài).也就是說(shuō)，視頻中的組成系統(tǒng)的材質(zhì)沒(méi)有必要費(fèi)盡心思地選用什么強(qiáng)磁性材料，并進(jìn)行難度很大的“偽裝”組合去制作，只需用“普通”材料按“普通”方法進(jìn)行組合，即可達(dá)到視頻中的那種看似不可思議的神奇效果.

為方便分析，我們將上面視頻截圖中連接兩個(gè)木架之間較長(zhǎng)的處于對(duì)稱位置的兩根細(xì)線作為一根細(xì)線來(lái)進(jìn)行討論（如圖4所示）.這并不影響問(wèn)題的分析——兩根細(xì)線的作用是使懸空系統(tǒng)能夠在系統(tǒng)重心偏離水平方向（指偏離圖4所示紙面里外的水平方向）的時(shí)候能重新回復(fù)到原來(lái)平衡位置.圖4是懸空木架的側(cè)視圖（放在水平桌面上的木架只起到固定細(xì)線一端的作用，對(duì)懸空木架的平衡沒(méi)有其它影響，所以圖中未畫出），AB和CD指的是用來(lái)對(duì)懸空木架施力的兩根細(xì)線，其中線AB實(shí)際上是兩根，側(cè)視圖當(dāng)成一根處理了，因?yàn)閼铱漳炯艿闹匦脑谄溆覀?cè)偏上的位置，不妨設(shè)在H點(diǎn)，如圖5所示，若將牽拉木架左上方的細(xì)線AB稍微縮短一點(diǎn)，即為圖5中的AB′，則細(xì)線對(duì)懸空木架向下的拉力增大，整個(gè)懸空木架會(huì)繞細(xì)線CD的上端點(diǎn)按逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)一個(gè)角度，其重心也會(huì)繞點(diǎn)C旋轉(zhuǎn)同樣的角度升高至點(diǎn)H′.所以，若細(xì)線AB又重新恢復(fù)原長(zhǎng)的話，在木架重力作用下，懸空木架會(huì)由于重心降低而順時(shí)針旋轉(zhuǎn)回復(fù)到原來(lái)的位置.因此，圖4對(duì)應(yīng)的懸空木架的平衡是一種穩(wěn)定平衡.

我們?cè)倮酶軛U平衡知識(shí)，分析一下懸空木架平衡時(shí)各線的拉力情況.

如圖6所示，設(shè)懸空木架平衡（上面水平），且牽連木架的細(xì)線均豎直時(shí)（這一點(diǎn)可以通過(guò)各段細(xì)線長(zhǎng)度的調(diào)節(jié)和牽連位置的調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)），設(shè)細(xì)線AB和CD對(duì)木架的拉力分別為F1和F2，木架重力為G，以D為支點(diǎn)，拉力F1和重力G的力臂分別為L(zhǎng)1和L2，此時(shí)被當(dāng)作杠桿的木架受到三個(gè)力的作用——兩根繩子的拉力以及木架自身的重力，而繩子CD對(duì)木架的拉力F2的力臂為零，由杠桿平衡條件及懸空木架受平衡力的平衡規(guī)律可得：

F1L1=GL2，且F2=F1+G.

再分析懸空木架上放重物的情形.

如圖7所示，如果放置重物的重心剛好在繩子懸掛點(diǎn)D的正上方，則重物對(duì)懸空木架壓力的作用線剛好過(guò)支點(diǎn)D，該力對(duì)杠桿繞支點(diǎn)D的旋轉(zhuǎn)就沒(méi)有任何的影響，所以杠桿平衡時(shí)依然滿足平衡條件：F1L1=GL2.由于懸空木架的重力G不變，所以，放置重物后繩子AB對(duì)木架的拉力不變，但此時(shí)細(xì)線CD的拉力變?yōu)镕2=F1+G+F3，比未放置重物前的拉力F2=F1+G多出了F3，該增量F3等于上面所放重物的重力G.因此，如果細(xì)線CD的承載力足夠大的話，在D點(diǎn)正上方放置任意重的物體后，系統(tǒng)都會(huì)平衡;如果放置重物的重心在D點(diǎn)正上方的右側(cè)，不妨設(shè)重物相對(duì)支點(diǎn)D的力臂為L(zhǎng)3（可以想象將圖7中的重物右移到D點(diǎn)正上方右側(cè)的情形，圖7是下面將要討論的第三種情形對(duì)應(yīng)的示意圖），則有F1L1=GL2+F3L3，而F2=F1+G+F3，顯然，AB、CD兩根細(xì)線的拉力F1和F2都比未放重物時(shí)增大，在兩根細(xì)線均未被拉斷的情況下，懸空的木架始終能夠保持平衡;如果重物放置在D點(diǎn)正上方的左側(cè)，如圖6所示，則當(dāng)F3L3=GL2時(shí)，細(xì)線AB剛好無(wú)拉力，懸空木架依然保持水平，當(dāng)F3L3>GL2時(shí)，懸空木架將按逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)而失去平衡.

筆者用厚紙板剪裁并折疊成與圖1類似的裝置并用細(xì)線連接，由于各部分長(zhǎng)度設(shè)計(jì)的不太合理，導(dǎo)致懸空紙板的重心位置不太合適，懸空平衡的狀態(tài)如圖8所示，用手將下面起支撐作用的紙板傾斜一定程度時(shí)可使懸空的紙板平衡.盡管圖8所示的情形與圖1所示情形不太一樣，但其平衡原理基本相同，改變紙板各部分的長(zhǎng)度比例，可以使懸空紙板的重心落在合適的位置，從而達(dá)到與圖1所示情形類似的視覺(jué)效果.

實(shí)際上，除了上面分析的情形以及前面提到的、網(wǎng)友評(píng)論所說(shuō)的用磁極間的相互作用規(guī)律的方法來(lái)達(dá)到圖2所示情形的神奇視覺(jué)效果之外，還有其他多種方法可以讓木架看起來(lái)好像在不可思議地懸空平衡.比如，在圖2中，可以用線密度差別非常大的兩種材料來(lái)制作那個(gè)懸空的看似是“木質(zhì)”的框架，在靠近懸掛點(diǎn)D的那一段選擇相對(duì)長(zhǎng)度很小但密度卻非常大的材料制作，比如鉛，其余部分用密度非常小的泡沫塑料制作，之后外面用油漆涂成木質(zhì)的“外表”，給人以整個(gè)裝置是“木質(zhì)”的假象.這樣，整個(gè)懸空“木架”裝置的重心雖然給人的視覺(jué)效果是在系統(tǒng)的右上方，而實(shí)際卻在懸掛點(diǎn)的正下方D點(diǎn)的附近.這樣的“木架”懸掛之后，整個(gè)“木架”便會(huì)“懸浮”起來(lái).這實(shí)質(zhì)上是一種穩(wěn)定平衡，就如同將鐵塊吊在細(xì)線下靜止的情形一樣.這種情況下，圖2中的兩根長(zhǎng)細(xì)線甚至可以不需要有拉力也可以使懸空木架平衡，不過(guò)這種制作對(duì)應(yīng)的是一種魔術(shù)效應(yīng)，用錯(cuò)覺(jué)的形式給人呈現(xiàn)一種不可思議的視覺(jué)平衡效果.

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（收稿日期：2021-03-28）