Как сделать игрушку с центром тяжести

Обновлено: 25.06.2022

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.

Рада представить вам очередной пост в рамках совместного проекта с Марией Юнак «Сказки и опыты». В прошлый раз в рамках этого проекта я писала о магнитах. А сегодня хочу рассказать о забавной детской игрушке, демонстрирующей физическое понятие равновесия.
Я говорю о неваляшке или, как ее еще называют, Ваньке-Встаньке.

развивающее тематическое занятие по физике
Физическая игрушка Ванька-Встанька

Эта кукла, наряду с матрешкой, относится к традиционно русским игрушкам для детей. Но как и матрешка, в России она появилась относительно недавно — в начале 19 века. И пришли к нам тоже как и матрешки из Японии.
Такие куклы в России сначала назывались «кувырканами«, позже их стали называть «неваляшками» или «Ваньками-Встаньками». Делались эти куклы из дерева, расписывались и покрывались лаком. Внутри часто вешали еще и бубенчик, поэтому неваляшка выполняла и функции погремушки.

развивающее тематическое занятие равновесие

Неваляшка в костюме гречанки. Книжная иллюстрация 19 века.
Рисунок из Википедии

Пришли эти куклы к нам из Японии. Там такие куклы-неваляшки играли роль магического талисмана. Изготовлялись они из дерева в виде головы «дарума» — бога счастья. Отличительной особенностью их раскраски было то, что глаза дарума оставались незакрашенными. Японцы верили, что если загадать желание и нарисовать даруме глаз, то в благодарность за это дарума исполнит ваше желание.

Все наверное, знают детский стишок С.Я.Маршака «Ванька-Встанька».

Уснули телята, уснули цыплята,
Не слышно веселых скворчат из гнезда.
Один только мальчик — по имени Ванька,
По прозвищу Встанька — не спит никогда.

У Ваньки, у Встаньки — несчастные няньки:
Начнут они Ваньку укладывать спать,
А Ванька не хочет — приляжет и вскочит,
Уляжется снова и встанет опять.

Укроют его одеялом на вате —
Во сне одеяло отбросит он прочь,
И снова, как прежде, стоит на кровати,
Стоит на кровати ребенок всю ночь.

Лечил его доктор из детской больницы.
Больному сказал он такие слова:
— Тебе, дорогой, потому не лежится,
Что слишком легка у тебя голова!

Этот стишок прекрасно объясняет физическую причину того, что куклу-неваляшку невозможно уложить. Дело в том, что все тела стремятся принять положение равновесия. То есть такого положения, когда действие одних сил на тело компенсируется действием других сил или силы отсутствуют вообще.

Неустойчивое равновесие будет тогда, когда смещение тела на небольшое расстояние приводит к его движению. Например, если тронуть шарик, лежащий на вершине горки, то шарик скатится вниз и не сможет вернуться в прежнее положение.

Безразличное равновесие, если тело при смещении на небольшое расстояние так и останется в нем. Например, если сдвинуть шарик, лежащий на ровной поверхности, то он будет теперь спокойно лежать на новом месте.

А устойчивое равновесие это когда при смещении тела на небольшое расстояние оно стремиться принять прежнее положение (например, мячик, который лежит в ямке, будет все время скатываться на ее дно). Равновесие устойчиво, если центр тяжести тела занимает самое низкое положение из всех возможных соседних положений.

Принцип ее действия прост — внизу куклы находится утяжелитель. Из-за этого центр тяжести стоящей вертикально неваляшки расположен ниже, чем в любом другом ее положении. Поэтому как бы мы не повернули игрушку, на какой бы бок ее не положили, она всегда будет стремиться принять вертикальное положение.

Мастер-класс как сделать Ваньку-Встаньку

Для этого нам понадобится:
Яйцо, несколько тяжелых мелких предметов (гаек, винтиков, металлических шариков) и свеча.

неваляшка из яйца своими руками

неваляшка из яйца своими руками

3. Чтобы утяжелитель не пересыпался в другое положение, закрепляем его парафином. Для этого капаем расплавленный парафин через отверстие в скорлупе о тех пор, пока он не покроет весь утяжелитель.

неваляшка из яйца своими руками

4. После того, как парафин застынет, игрушку можно ставить в любое положение — она всегда будет возвращаться назад.

5. Теперь яйцо можно украсить — закрыть отверстие наверху шляпкой, которую можно приклеить к яйцу на клей ПВА, и нарисовать лицо.

неваляшка из яйца своими руками
Ванька-Встанька

А еще игрушки на тему «равновесие » можно увидеть тут: Белочка, балерина, бабочка, птичка из картошки.

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).

Научная игрушка своими руками

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 🙂

бабочка - детская поделка из бумаги
Шаблон для распечатки (кликните мышкой, чтобы открылся в полном размере)
как сделать бабочку из бумаги
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.

Поделка из бумаги для детей - бабочка
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.

Опыты и эксперименты по физике для детей

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«.


Рассказываем, как сделать прикольный маятник в виде балансирующего человечка. Довольно интересная самоделка, которая поможет весело скоротать время. Причем как в процессе изготовления маятника, так и после завершения работ.

  • болт;
  • электрод диаметром 3—4 мм;
  • гайки.

Обратите внимание : вместо электрода можно использовать стальную проволоку аналогичной толщины.

Идея создания балансирующего человечка принадлежит автору YouTube канала «Деревенские Истории \ \ Village Stories».

Основные этапы работ

Первым делом отрезаем от электрода толщиной 3 мм отрезок длиной 10 см. Сгибаем из него полукруг. Данная деталь будет использоваться в качестве рук.

Оставшуюся часть электрода сгибаем ровно пополам. Это будут ноги. Потом при помощи плоскогубцев формируем колени. Лишнюю часть электрода обрежем чуть позже.

Как сделать балансирующего человечка из обычного болта

На следующем этапе берем электрод диаметром 4 мм.

Сгибаем из него «коромысло», по краям которого нужно приварить две шестигранных гайки.

Как сделать балансирующего человечка из обычного болта

Сборка балансирующего человечка

Первым делом к болту привариваем руки и ноги. К рукам привариваем «коромысло» с гайками. Нужно, чтобы человечек держался за коромысло ровно посередине.

Как сделать балансирующего человечка из обычного болта

Далее с помощью кусачек необходимо будет укоротить нижние конечности. Оставляем примерно по 2 см от линии сгиба колена.

Как сделать балансирующего человечка из обычного болта

Чтобы человечек держал баланс, нужно его немного доработать.

В частности, потребуется подогнуть ноги, чтобы они находились под прямым углом относительно туловища (болта), и согнуть колени под 90 градусов. После такой доработки человечек будет качаться как маятник.

Видео по теме

Подробно о том, как сделать балансирующего человечка из обычного болта, можно посмотреть ниже — в авторском видеоролике.

Всем доброго времени суток. Хочу рассказать, чем сегодня вечером развлекала детей.
Мы уже знакомы с балансирующими игрушками, сегодня решили ещё позабавляться и поэксперементировать.

Всем доброго времени суток. Хочу рассказать, чем сегодня вечером развлекала детей. Мы уже знакомы с балансирующими игрушками, сегодня решили ещё позабавляться и поэксперементировать. (фото 1)

Распечатала ребятишкам новенькие шаблончики, и они с большим удовольствием принялись их раскрашивать

 Распечатала ребятишкам новенькие шаблончики, и они с большим удовольствием принялись их раскрашивать (фото 2)

Вот какие получились роботы. Их мы подсмотрели вот здесь https://stranamasterov.ru/node/1076593 , у Галинки. (фото 3)

Сделали ещё вот таких стекозочек.

 Сделали ещё вот таких стекозочек. (фото 4)

Проверяли их на стойкость.

 Проверяли их на стойкость. (фото 5)

Устойчивые оказались стрекозочки. Хоть и прикасаются всего лишь к кончику пальца.

Устойчивые оказались стрекозочки. Хоть и прикасаются всего лишь к кончику пальца. (фото 6)

А вот сейчас получится бабочка-балансир.
раскрашенный и вырезанный шаблон, спичка и 2 скрепки.

А вот сейчас получится бабочка-балансир. раскрашенный и вырезанный шаблон, спичка и 2 скрепки. (фото 7)

Прикрепляем спичку кусочком скотча, только спичка должна быть ровной , и скрепки.

Прикрепляем спичку кусочком скотча, только спичка должна быть ровной , и скрепки. (фото 8)

Готово! (фото 9)

Тоже удивительно, как она держится на пальце?

Тоже удивительно, как она держится на пальце? (фото 10)

Дети решили такие бабочки подарить на 8 марта вместо открыточки.

Дети решили такие бабочки подарить на 8 марта вместо открыточки. (фото 11)

А вот самый любимый дочкин балансир - попугай.

А вот самый любимый дочкин балансир - попугай. (фото 12)

Решили, что попугайчик поселится в нашем живом уголке.
Чем не тропики.

Решили, что попугайчик поселится в нашем живом уголке. Чем не тропики. (фото 13)

А вот и шаблончики. Нашла их вот на этом сайте http://arvindguptatoys.com/toys.html. (фото 14)

Чем развлечь детей.Балансирующие игрушки. (фото 15)

Чем развлечь детей.Балансирующие игрушки. (фото 16)

Чем развлечь детей.Балансирующие игрушки. (фото 17)

Шаблон робота, найдёте у Гали https://stranamasterov.ru/node/1076614 . А вот про такого балансирующего Петрушку , как раз к Масленичной недельке, можете почитать вот здесь https://stranamasterov.ru/node/1076614 ,там и шаблончик имеется. (фото 18)

Сделайте и Вы со своими детками балансирующие игрушки, это очень интересно, весело и удивительно. Поверьте, не пожалеете потраченного времени.
Заходите в гости, у нас ещё много интересностей.

Читайте также: