Środek ciężkości

Dlaczego wysokie rzeczy się przewracają?

Myślenie o środku ciężkości pomaga nam odpowiedzieć na pytania takie jak to. Stań prosto, a następnie spróbuj przechylić się na jedną stronę. Bardzo szybko osiągniesz punkt, w którym całe twoje ciało poczuje się tak, jakby miało się przewrócić. W rzeczywistości nie poruszasz się, ale obracasz się wokół kostek. Twoja głowa porusza się szybciej niż kolana. W rzeczywistości całe twoje ciało obraca się wokół kostek jak koło. Można by pomyśleć, że grawitacja to coś, co ciągnie rzeczy w dół, ale tutaj sprawia, że obracasz się w kółko! Im jesteś wyższy, tym bardziej się obracasz, ponieważ całe twoje ciało działa jak dźwignia, pomagając sile grawitacji obrócić cię dookoła.

Aby zobaczyć, jak to działa, spróbuj otworzyć drzwi, naciskając klamkę jednym palcem. Łatwe, prawda? Kiedy siła popycha coś, co może się swobodnie obracać (jak drzwi na zawiasach), ta rzecz obróci się zamiast się poruszać. Spróbuj teraz otworzyć te same drzwi, naciskając jednym palcem w pobliżu zawiasów. Tym razem jest to o wiele trudniejsze. Im mniejsza odległość między siłą a punktem obrotu, tym trudniej jest zmusić siłę do obrócenia czegoś. Szersze drzwi są łatwiejsze do otwarcia niż węższe, ponieważ całe drzwi działają jak dźwignia, zwielokrotniając siłę, której używamy naciskając na klamkę. W dokładnie ten sam sposób, znacznie łatwiej jest przewrócić coś wysokiego niż coś, co znajduje się blisko ziemi.

Opracowanie plastyczne: Jak znaleźć środek ciężkości obiektu: 1. Zawieś obiekt na punkcie na jego krawędzi, a będzie się on obracał tak długo, aż jego środek ciężkości znajdzie się bezpośrednio pod tym punktem. Zawieś pion (ciężarek na sznurku) w tym samym punkcie. Narysuj linię równoległą do sznurka (żółtą). 2) Teraz wybierz inny punkt na krawędzi i powtórz proces. Narysuj kolejną linię równoległą do sznurka (zielona). 3) Środek ciężkości obiektu to punkt, w którym spotykają się te dwie linie.

Dlaczego grawitacja powoduje, że twoje ciało się przewraca?

Wyobraź sobie, że twoje ciało nie jest pojedynczą, solidną masą, ale ogromnym workiem ziemniaków stojącym pionowo. Grawitacja działa na cały worek, ale działa też na każdy ziemniak osobno, ciągnąc każdy z nich w dół. Kiedy przechylasz się na jedną stronę, „ziemniaki” w górnej części twojego ciała działają jak dźwignia, sprawiając, że twoja górna połowa obraca się i przewraca o kostki. Im bardziej się pochylasz, tym większy jest efekt dźwigni w górnej części twojego ciała – i tym bardziej prawdopodobne jest, że się przewrócisz.

Jest jeszcze inny sposób myślenia o twojej wadze. Tak, Twoje ciało jest trochę jak worek ziemniaków. Ale jest też trochę jak jeden gigantyczny ziemniak, ważący tyle co ty i skupiony w nieskończenie małym punkcie, gdzieś w środku – mniej więcej tam, gdzie twój żołądek. To jest twój własny, osobisty środek ciężkości. Tak długo, jak twój środek ciężkości znajduje się mniej więcej nad stopami, twoje ciało będzie zawsze zrównoważone i nie przewrócisz się. Ale zacznij przechylać się na bok i wszystko się zmieni. Twoja głowa jest jedną z najcięższych części ciała – przypomina gigantycznego ziemniaka siedzącego na samym szczycie. Jeśli przechylisz się w lewo, Twój środek ciężkości nie znajduje się już bezpośrednio nad punktem środkowym stóp. Im bardziej się przechylisz, tym większy moment obrotowy (siła skręcająca) powstanie i tym większe prawdopodobieństwo przewrócenia się. Grawitacja sprawia, że całe twoje ciało obraca się wokół kostek jak palec naciskający na klamkę.

Opracowanie plastyczne: Tak długo, jak twój środek ciężkości (żółta gwiazda) pozostaje mniej więcej nad punktem środkowym między stopami, pozostajesz wyprostowany nawet podczas skomplikowanych ruchów, takich jak chodzenie i taniec. Jeśli jednak przesuniesz górną część ciała zbyt mocno w jednym kierunku, wytworzysz siłę skręcającą (kolor zielony), która spowoduje, że będziesz się obracać. Aby utrzymać się w pionie, będziesz musiał poruszyć inną częścią ciała i stworzyć siłę równoważącą (żółta strzałka), aby zniwelować pierwotną siłę skręcającą.

Jaki jest najlepszy sposób na utrzymanie równowagi?

Im niżej znajduje się twój środek ciężkości, tym łatwiej jest utrzymać równowagę.Jeśli siedzisz na krześle, możesz pochylić się bardziej niż w pozycji stojącej. Z twoim środkiem ciężkości nisko, ty możesz pochylać się dalej w jedną lub drugą stronę bez tworzenia wystarczającej siły skręcającej, aby przewrócić cię. To dlatego samochody wyścigowe (i pojazdy wojskowe, takie jak Humvee) są projektowane z bardzo niskimi środkami ciężkości: im niżej są na ziemi, tym mniejsze ryzyko, że się przewrócą, niezależnie od tego, jak szybko jadą.

Zdjęcie: 1: Humvee US Army (High Mobility Multipurpose Wheeled Vehicle lub HMMWV) ma nisko położony środek ciężkości, więc może pokonywać zakręty z dużą prędkością, w trudnym terenie, z dużo mniejszym ryzykiem przewrócenia się.2Mimo to żołnierze są szkoleni, jak wydostać się z przewróconego Hummera za pomocą symulatora HEAT (HMMWV Egress Assistance Trainer), który obraca makietę przedziału pasażerskiego Hummera, dzięki czemu żołnierze mogą ćwiczyć wydostawanie się z niego w różnych trudnych warunkach, w tym pod wodą.Zdjęcie Hummera autorstwa Sgt. Alexa Snydera, zdjęcie HEAT autorstwa Sgt. Travisa Zielinskiego, oba dzięki uprzejmości US Army.

Chodzący po linie używają nieco innej sztuczki, aby opanować swój środek ciężkości. Jeśli kiedykolwiek obserwowałeś osoby chodzące po linie, na pewno zauważyłeś, że nigdy nie przechodzą one po prostu po linie. Niektórzy wyciągają ramiona, niosą długi kij lub parasol. Inni kucną lub ugną kolana. Jeszcze inni jeżdżą na rowerach z ciężarkami zawieszonymi pod nimi. Te pomoce równoważące pomóc dać tightropewalkers więcej kontroli nad ich środka ciężkości. Jeśli mogą one utrzymać ich środek ciężkości bezpośrednio nad liną przez cały czas, theywill nigdy nie spadnie. Jeśli zaczną poruszać się w jedną stronę, siła skręcająca zacznie przewracać ich w tym kierunku. Muszą więc szybko przesunąć część ciała na drugą stronę, aby wywołać siłę skręcającą w przeciwnym kierunku i przywrócić równowagę.

Foto: Łatwo jest spaść z normalnego roweru, gdzie ciężar ciała balansuje na bardzo cienkim kole i nawet niewielkie ruchy z boku na bok mogą spowodować upadek. Upadek z roweru leżącego (takiego jak ten, na którym leżysz na plecach) jest prawie niemożliwy, ponieważ twój środek ciężkości znajduje się prawie na poziomie ziemi.Zdjęcie autorstwa Charlesa M. Bailey’a dzięki uprzejmości Armii USA.

Inercja (tendencja nieruchomych obiektów do pozostawania w miejscu, a obiektów ruchomych do pozostawania w ruchu) również pomaga. Człowiek chodzący po linie waży dość dużo. Oznacza to, że mają pewną bezwładność i potrzeba sporo czasu, aby ich ciało przesunęło się w jedną lub drugą stronę. Jeśli poczują, że się przechylają, mają wystarczająco dużo czasu, aby przesunąć inną część swojego ciała (lub laskę czy parasol, które niosą) na drugą stronę. To wytwarza siłę przechylającą w przeciwnym kierunku, która utrzymuje ich w równowadze. Patrząc na osobę chodzącą po linie, która jest chwilowo nieruchoma, można by pomyśleć, że nie działają żadne siły – ale mylisz się. Grawitacja działająca na lewe ramię chodziarza będzie próbowała sprawić, że przechyli się on w lewo, podczas gdy ciężar jego prawego ramienia przechyli go w prawo. Chodzik pozostaje idealnie wyprostowany, idealnie nieruchomy, gdy wszystkie różne siły skręcające są dokładnie zrównoważone i wzajemnie się znoszą.

Jakie korzyści przynosi wiedza o środku ciężkości?

Zdjęcie: Niedźwiedzie czasami chodzą na tylnych łapach, ale szybciej, łatwiej i bezpieczniej jest chodzić na czworakach – ponieważ mają niżej położony środek ciężkości i nie mogą się przewrócić.Zdjęcie autorstwa Ericha Regehra dzięki uprzejmości US Fish & Wildlife Service.

Jeśli jesteś sceptykiem, możesz myśleć, że nauka jest pełna bezużytecznych informacji, których tak naprawdę nigdy nie musisz znać, ale środek ciężkości nie jest jedną z nich. Ostatniej zimy ulica, przy której mieszkam, całkowicie zamarzła i zamieniła się w taflę lodu. Jaki jest najlepszy sposób na chodzenie po zamarzniętej ulicy? Zakładając, że nie masz butów alpinistycznych, najbezpieczniejszym sposobem jest zejście na czworakach i czołganie się, jak niedźwiedź polarny, na rękach i kolanach. Możesz się zmoczyć lub ubrudzić, ale nie przewrócisz się i nie złamiesz karku. Jeśli sprawisz, że twój środek ciężkości będzie bardzo nisko, upadek jest niemożliwy.

Foto: Niski środek ciężkości: technika skoku wzwyż zwana Fosbury Flop, pokazana tutaj, działa poprzez utrzymanie środka ciężkości tak nisko, że przechodzi on pod poprzeczką. Photo by Matthew L. Romano courtesy of US Navy.

Myślenie o środku ciężkości jest również kluczem do efektywnego uprawiania wielu sportów. Wszystko, co wiąże się z równowagą – praktycznie każdy sport od łyżwiarstwa figurowego po surfing – wymaga myślenia o tym, gdzie jest twoja waga i jak ją szybko przenieść bez użycia zbyt dużej ilości energii lub utraty kontroli. Zauważyłeś, jak tenisiści stawiają stopy w szerokim rozkroku? A jak skoczkowie wzwyż robią dziwne rzeczy, zawijając swoje ciało w górę i w dół? Wszystkie te rzeczy opierają się na zrozumieniu środka ciężkości i wykorzystaniu go w praktyce!