掀不倒的易拉罐

引入背景：

一个空的易拉罐，竖直放在水平桌面上是相当稳定的，可是按如图4所示那样倾斜侧放的话是放不稳的，即使你费了九牛二虎之力终于将它立稳了，可受到一点点扰动可能就倒下了。那么，有什么办法既不用胶，也不用钉子钉就能立稳，甚至掀它几下都不会倒呢？

图4

实验器材：

一个取下盖子的空易拉罐（如图5所示），一个质量比较大一点的圆柱体（铁的铜的均可，长度为易拉罐内径的一半或更短一些）。

图5

实验步骤：

（1）将圆柱体放入易拉罐内，并让其滚动到某一底边。（2）以圆柱体所在位置的易拉罐的底为支点，将易拉罐立于水平桌面上，观察其现象。（3）再用手轻轻掀它几下，再观察有什么现象发生。

实验现象：

易拉罐能稳稳地立于桌面上，用手轻轻掀它几下，发现易拉罐只是晃动几下又稳稳地停住了，如图6所示。

图6

原理剖析：

其实这就是不倒翁的原理。它的重心是固定的，当它稳定的时候，易拉罐的重心（由于空易拉罐瓶本身的质量非常小，所以几乎可以认为整个易拉罐的重心就在所放入的那个质量较大的圆柱体的重心上）离支点的位置最近，且重心正好在支点的正上方，如图7中的（a）所示。而当易拉罐沿半径方向向任何一方倾斜时，其支点的位置都会发生变化，这时重力作用线将不再过支点，于是重力的力矩就会将易拉罐拉回到原来的位置，如图7中的（b）所示。所以，无论怎样掀动易拉罐（只要是幅度不要太大），它都只是晃动几下，最终都会回到图7中的（a）所示的稳定状态。

图7

说明：

（1）此实验中，如果将质量较大的物体放在底部是半球形的球壳内，并将其固定，在上面安放一个坚强的小男孩头像的娃娃，那这就成了一个永远不会倒下的男子汉（不倒翁）。（2）此实验可以放在学习物体平衡的种类那一部分作为新课引入，也可以在其他场合作为趣味实验演示。