Игрушки со смещенным центром тяжести своими руками
Обновлено: 14.05.2024
Идея написать эту статью возникла совершенно случайно. Мы с сыном посмотрели фильм Кристофера Нолана «Начало». Не могу сказать, что я фанат этого фильма, по своей идее погружений с одного уровня действительности в другой он мне напомнил книгу «Рукопись найденная в Сарагосе» (фильм тоже по ней есть), но сыну понравился. После просмотра он залез в ящик со старыми игрушками и долго в нем рылся, пока не откопал два волчка. Один из них очень похож на тот, что был в фильме. Запустив несколько раз, он стал спрашивать почему волчок вращается и не падает. Я люблю объяснять наглядно. Это возможно не всегда правильно с научной точки зрения, но гораздо интереснее и лучше для понимания. Поэтому мы отправились в мастерскую, где провели несколько опытов.
Ребенку сложно понять «на пальцах», что такое центр масс, оси вращения и т.п. На счет инерции он уже был знаком. Поэтому я начал с показа простого опыта. Для этого понадобился фанерный круг и заостренная палочка.
Опыты мы обычно проводим по собственной методике – почти весь реквизит изготавливает сын сам. Это дополнительный стимул работать руками и возможность узнать что-то новое. На этот раз нам нужно было просверлить отверстие в центре круга. Если вырезать круг «коронкой», то центр будет автоматически, но у меня круги были целые. Мы использовали самодельный «искатель центра» - инструмент новый для сына.
С помощью него можно нарисовать линию, проходящую через центр круга, а если сделать этих линий 2-3 под разными углами, то их пересечение и будет центром. Далее замеряем штангенциркулем диаметр палочки (с этим инструментом он был уже знаком) и сверлим нужным сверлом отверстие. Вставляем палочку острием вниз и наш простой волчок готов.
Вроде всё просто. На мой вопрос «почему крутится?» я услышал, что диск круглый, палочка острая и вращение быстрое. В какой-то степени он был прав. Если палочка будет тупой, то за счет трения волчок быстро остановится, значит с трением нужно бороться. Если не будет быстро вращаться – не удержит равновесие и упадет, т.е. важна инерция при вращении.
Однако не всё так просто. Я просверлил рядом еще одно отверстие и переставил туда палочку. Волчек вращаться перестал. Острие тоже, скорость вращения задается на старте похожая, а не работает. Тут появляется понятие центра масс.
Я закрепил шило перпендикулярно вертикальной доске. На него повесил круг за центральное отверстие. Круг можно вращать и он остается в покое, т.е. он сбалансирован. Теперь перевешиваем круг на смещенное отверстие. Он всегда проворачивается вниз точно противоположной стороной от смещенного отверстия – баланс нарушился.
Мы высверлили несколько отверстий, чтобы сбалансировать круг снова относительно нового отверстия. Этого оказалось мало и пришлось добавить дополнительный груз с противоположной стороны. Конечно, такая балансировка очень примитивна и не точна, но у нас получилось уравнять стороны относительно оси вращения.
Волчек снова заработал. Так мы узнали, что для устойчивой работы волчка нужно, чтобы центр масс был в точке оси вращения.
Еще одним примером правильного расчета центра масс является волчок, который в 1986 изобрел японский профессор Такао Сакаи. Он сделан из обычной скрепки.
Уникальность этого изобретения, что волчок легко собирается, но при этом есть у него одна особенность – угол отсутствующего сектора должен быть равен в идеале 53.13 градусов. Почему именно такой – есть целые математические объяснения. Я не стану их приводить, так как опыты рассчитаны на детей. Для наглядности я взял большую канцелярскую скрепку, но она имеет более жесткий металл. Получилось несколько кривобоко, но опыт удался.
Причем волчок крутится долго, если ось вращения строго перпендикулярна кругу и ее половинки максимально соосны.
Волчок профессора Сакаи был интересен, но он очень легкий и мы решили сделать тяжелый волчок. Для этого выточили его из ореха диаметром около 10 см.
За счет веса его сложнее раскрутить, но потом он хорошо стабилизируется и вращается очень долго.
Нам понравилось экспериментировать с волчками. Следующим этапом была сборка волчка Томсона, который еще называют Китайский волчок. Его конструкция представляет шар со срезанной крышкой и установленной осью вращения. Главной особенностью такого волчка является форма, когда центр масс смещен ниже геометрического цента шара. По сути это похоже на неваляшку. Как не оттягивай его от вертикального положения, он возвращается обратно. Для сборки мы использовали деревянный шарик и цилиндрическую палочку.
Я немного вырезал внутри шара углубление, чтобы эффект неваляшки был лучше.
Продолжаем делать поделки, в основе действия которых лежат законы равновесия. Я уже показывала в блоге наших белочку, бабочку, птичку из картошки и Ваньку-Встаньку. А теперь сделаем балерину из бумаги. Как и предыдущие игрушки, эта балерина не простая — она умеет грациозно балансировать на тонкой ниточке или на кончике пальца. А все из-за того, что у игрушки смещен центр тяжести. Основной вес конструкции находится не над опорой, а под опорой, что позволяет балерине стоять и не падать.
Описание этой балерины мы нашли в старой, еще советской книге Л.А.Горева «Занимательные опыты по физике». И очень захотели попробовать сделать такую игрушку своими руками. Оказывается, это очень быстро и очень просто! Особенно если упростить конструкцию и воспользоваться подручными материалами. Дальше как обычно, небольшой мастер-класс.
На картоне рисуем фигуру балерины (или любую другую картинку на ваш вкус) высотой около 10-11 см. При желании можно скачать мой рисунок, распечатать его на обычной офисной бумаге и наклеить на картонную основу.
 |
| Шаблон для скачивания. Нажмите на картинку мышкой — она откроется в новом окне в полную величину. После этого скопируйте изображение к себе на компьютер и распечатайте. |
После этого делаем для нее балансир: на концах проволочки заворачиваем петельки и в них продеваем по три скрепки с каждого конца. После этого середину проволоки оборачиваем вокруг ног балерины так, чтобы концы свисали вниз. После надо будет чуть-чуть раздвинуть проволоку в стороны, опытным путем добиваясь большей устойчивости игрушки.
А теперь проводим эксперимент. Ставим балерину на какую-нибудь тонкую опору — нитку, проволоку, палочку, — она стоит и не падает!
Только что я рассказывала о том, как мы проводили мастер-класс по изготовлению научных игрушек на фестивале «Мастерская чудес«. И одна из игрушек, которую мы показывали на празднике, была бабочка-балансир (видела эту идею у Сергея Пархоменко в ЖЖ). При всей простоте изготовления, бабочка эта не простая, а волшебная! Она умеет на лету держаться своим хоботком и не падать. Секрет такого ее поведения прост: как и у всех подобных игрушек-балансиров, центр тяжести этой конструкции находится под опорой, на которой стоит хоботок. Поэтому бабочку никуда не «перевешивает» и она легко удерживается в таком положении устойчивого равновесия. (что это такое я уже рассказывала, когда мы делали яйцо Ваньку-Встаньку).
1. Рисуем на бумаге бабочку (форма крыльев роли практически не играет), раскрашиваем ее и вырезаем по контуру.
Для простоты я выкладываю шаблоны нашей бабочки — вы можете сохранить рисунки к себе на компьютер и распечатать их. Первая бабочка-раскраска. А вторую можно раскрасить, проявив свою фантазию. Выбирайте, какая вам больше нравится 🙂
 |
| Шаблон для распечатки (кликните мышкой, чтобы открылся в полном размере) |
 |
| Шаблон для распечатки (кликните мышкой, чтобы открылся в полном размере) |
2. После того, как бабочка готова, делаем ей хоботок: берем одну из скрепок, разгибаем ее. С одного конца должен остаться «носик» в виде буквы «Г». С другого делаем петельку так, чтобы она оказалась в перпендикулярной плоскости по отношению к «носику». Петелька нужна затем, чтобы было легче приклеивать скрепку к бабочке и чтобы она не проворачивалась потом в процессе эксплуатации.
 |
| Фиксируем скрепку на изнаночной стороне бабочки скотчем |
4. Большинство детей думают, что этого уже достаточно, чтобы бабочка сидела на пальце. Попросите на этом этапе ребенка попробовать удержать бабочку в равновесии. Это сделать невозможно — бабочка падает вниз. Надо что-то придумать, чтобы уравновесить бабочку. Для этого нам и понадобятся остальные скрепки (поэкспериментируйте с их количеством: у нас иногда хватало и по одной скрепки на каждое крыло, а иногда нужно было по две).
Когда мы прицепим скрепки на кончики крыльев, они отвиснут вниз — и бабочка теперь будет сидеть ровно. Это все равно, что уравновесить весы — теперь с обоих сторон от пальца, на который опирается кончик хоботка, вес равный. Поэтому бабочка и балансирует на опоре.
Теперь все получится — можно демонстрировать этот опыт в качестве самодельного фокуса, чтобы развлечь ребенка. Благо, делается бабочка очень быстро и просто — даже трехлетний малыш справится с заданием раскрасить ее и нацепить на крылышки скрепочки.
А вот тут можно посмотреть, как сделать еще другие игрушки-балансиры : Белочку, балерину и Птичку из картошки.
Другие самодельные игрушки, иллюстрирующие разные физические законы, можно увидеть в рубрике «Научные игрушки«.
Только что я рассказывала о том, как мы проводили мастер-класс по изготовлению научных игрушек на фестивале «Мастерская чудес«. И одна из игрушек, которую мы показывали на празднике, была бабочка-балансир (видела эту идею у Сергея Пархоменко в ЖЖ). При всей простоте изготовления, бабочка эта не простая, а волшебная! Она умеет на лету держаться своим хоботком и не падать. Секрет такого ее поведения прост: как и у всех подобных игрушек-балансиров, центр тяжести этой конструкции находится под опорой, на которой стоит хоботок. Поэтому бабочку никуда не «перевешивает» и она легко удерживается в таком положении устойчивого равновесия. (что это такое я уже рассказывала, когда мы делали яйцо Ваньку-Встаньку).
1. Рисуем на бумаге бабочку (форма крыльев роли практически не играет), раскрашиваем ее и вырезаем по контуру.
Для простоты я выкладываю шаблоны нашей бабочки — вы можете сохранить рисунки к себе на компьютер и распечатать их. Первая бабочка-раскраска. А вторую можно раскрасить, проявив свою фантазию. Выбирайте, какая вам больше нравится 🙂
|
| Шаблон для распечатки (кликните мышкой, чтобы открылся в полном размере) |
|
| Шаблон для распечатки (кликните мышкой, чтобы открылся в полном размере) |
2. После того, как бабочка готова, делаем ей хоботок: берем одну из скрепок, разгибаем ее. С одного конца должен остаться «носик» в виде буквы «Г». С другого делаем петельку так, чтобы она оказалась в перпендикулярной плоскости по отношению к «носику». Петелька нужна затем, чтобы было легче приклеивать скрепку к бабочке и чтобы она не проворачивалась потом в процессе эксплуатации.
|
| Фиксируем скрепку на изнаночной стороне бабочки скотчем |
4. Большинство детей думают, что этого уже достаточно, чтобы бабочка сидела на пальце. Попросите на этом этапе ребенка попробовать удержать бабочку в равновесии. Это сделать невозможно — бабочка падает вниз. Надо что-то придумать, чтобы уравновесить бабочку. Для этого нам и понадобятся остальные скрепки (поэкспериментируйте с их количеством: у нас иногда хватало и по одной скрепки на каждое крыло, а иногда нужно было по две).
Когда мы прицепим скрепки на кончики крыльев, они отвиснут вниз — и бабочка теперь будет сидеть ровно. Это все равно, что уравновесить весы — теперь с обоих сторон от пальца, на который опирается кончик хоботка, вес равный. Поэтому бабочка и балансирует на опоре.
Теперь все получится — можно демонстрировать этот опыт в качестве самодельного фокуса, чтобы развлечь ребенка. Благо, делается бабочка очень быстро и просто — даже трехлетний малыш справится с заданием раскрасить ее и нацепить на крылышки скрепочки.
А вот тут можно посмотреть, как сделать еще другие игрушки-балансиры : Белочку, балерину и Птичку из картошки.
Другие самодельные игрушки, иллюстрирующие разные физические законы, можно увидеть в рубрике «Научные игрушки«.
Многие детские игрушки позволяют показать те или иные физические принципы, явления, законы.
Сегодня обратимся к понятиям центр тяжести (центр масс), устойчивость, условие устойчивого равновесия.
1. Ванька-встанька
« …Мой характер не сломить,
меня никак не положить,
Хоть старайся, расстарайся,
никогда тому не быть».
Если при достаточно малом отклонении тела от положения равновесия возникают силы, возвращающие его обратно, то такое равновесие называют устойчивым .
Ванька-встанька (или неваляшка) возвращается всегда в вертикальное положение – значит, это есть положение его устойчивого равновесия. Для тела, находящегося в состоянии устойчивого равновесия, выполняется условие: центр тяжести тела занимает самое низкое возможное положение . При попытке вывести тело из положения устойчивого равновесия, центр тяжести поднимается.
У Ваньки-встаньки в нижней части находится тяжёлый полушар. Центр тяжести полушара – точка С – при наклоне приподнимается. В самом деле, расстояние CD больше расстояния АС. Значит, равновесие в первом случае устойчиво. Пунктиром изображён воображаемый шар, центр которого (точка С) совпадает с центром тяжести полушара.
Для тела, опирающегося на одну точку, в состоянии равновесия центр тяжести находится на одной вертикали с точкой опоры (на первом рисунке СА – вертикаль). ( Замечание. Рисунок взят из «Элементарного учебника физики» под ред. Ландсберга, но исправлена неточность. У Ландсберга отрезок СВ нарисован вертикальным (B – точка касания полушара и плоскости), что может быть только в состоянии равновесия. )
При отклонении от положения равновесия возникает момент силы, возвращающий тело в равновесное состояние с наинизшим положением центра масс. Зелёная стрелка - реакция опоры (сила, с которой плоская поверхность опоры действует на полушар, синяя - сила тяжести (сила, с которой Земля притягивает полушар). Тело будет находиться в состоянии равновесия, когда обе эти силы, будучи противоположно направленными и равными по величине, будут действовать вдоль одной прямой.
Многие пытались удерживать в равновесии на ладони или кончике пальца бильярдный кий, школьную указку или большую линейку, как это показано на рисунке. ( Рисунок взят отсюда: Хилькевич С. С.Ю «Физика вокруг нас», Библиотечка «Квант», Выпуск 40. Москва, Наука, 1985 )
Читайте также: