“立蛋”要找準重心二力平衡

春分立蛋習俗 視覺中國供圖

3月21日，正值春分。早在4000年前，為了迎接春天來臨，古人就有春分“立蛋”的習俗。在古老的傳說中，春分這天要挑選光滑勻稱、一頭大一頭小的新鮮雞蛋，將大頭朝下，這樣重心比較低，就像不倒翁一樣最容易立起來。古人認為，春分“立蛋”是因為這一天地軸與黃道面構成某種平衡。從現代科學角度來看，“立蛋”在不同的時間都可以完成，而“黃道”一說可能在故弄玄虛。

(資料圖片僅供參考)

湖南長沙市一位汽車司機崔聚國，曾在中央電視臺舉辦的“吉尼斯中國之夜”節目里，在一分鐘內將3個雞蛋豎立在針尖上奪得金牌，創造了新的吉尼斯紀錄。

談及“立蛋”這門絕活，崔聚國說，訣竅就是要有耐心，能準確找到雞蛋的重心。據崔聚國介紹，他練習這一絕活已6年時間，開始在地上練習立雞蛋，成功后就轉移到筷子、鉛筆尖上，最后將雞蛋立在針尖上。

在物理學中，“立蛋”是二力平衡的問題，這其中包括平衡條件和平衡穩度。二力平衡的條件是物體只受兩個力作用，且這兩個力大小相等、方向相反，作用在同一直線上。

雞蛋被放在光滑的表面上，可以不考慮摩擦力，只受重力和接觸面的支持力，由于重力豎直向下，所以接觸面的支持力只能是豎直向上。

我們用手將一個小球放在稍微偏離碗底的碗壁上，這時小球所受碗壁支持力是垂直于所在碗壁的切面，不在豎直方向上，不能滿足二力平衡條件。如果這時松開手，小球會在碗底部滾來滾去，最后穩穩地停在碗的底部。由于摩擦力實際上不可避免，小球在這個過程中機械能會越來越小，到靜止在底部時，重力勢能為最小值，達到穩定平衡。

當小球被放到一個倒扣在桌面上的半球型容器的頂部時，小球就不容易處于平衡狀態，一有風吹草動就會立即失去平衡而滾落下來。我們把小球在頂部的暫時平衡稱為不穩平衡。

最后，我們將小球放到一個光滑的水平面上，看到小球無論放在哪里都能處于平衡狀態，隨遇而安。我們把這樣的平衡稱為隨遇平衡。

通過小球這三種平衡狀態，我們發現，在穩定平衡時，稍微偏離平衡位置后，小球的重心位置升高；在不穩平衡時，稍微偏離平衡位置后，小球的重心位置降低；在隨遇平衡時，稍微偏離平衡位置后，小球的重心位置高度不變。這樣我們就找到了處于二力平衡狀態物體的穩度與其重心高度變化的關系。

而穩度是物體處于穩定平衡時的穩定程度，其決定因素有兩個：一是重心越低，穩度越大；二是支持面的面積越大，穩度越大。當物體重力作用線在支持面內時，物體的平衡是穩定的，如果重力作用線超出了支持面，物體就會翻倒。

我們在“立蛋”時，豎立的雞蛋總處于不穩平衡狀態，很容易受到輕微的擾動而失去在初位置的平衡。

根據穩度原理，我們可以在雞蛋的小頭開一個盡可能小的孔，倒出蛋液，然后用清水注入蛋殼，洗凈殘余的蛋液后用沙子或大米灌進蛋殼，使蛋殼穩定豎立于桌面，然后點燃一支蠟燭，將融化了的蠟燭液滴入蛋殼以固定沙子或大米，這樣就做成了一個不倒翁。其原理是蛋殼在豎立時，重心處于最低點，不管怎樣撥動，蛋殼都會使它的重心升高，蛋殼總會回到豎立狀態。

（作者系湖南省物理學會會員）

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