“立蛋”要找准重心二力平衡

春分立蛋习俗 视觉中国供图

3月21日，正值春分。早在4000年前，为了迎接春天来临，古人就有春分“立蛋”的习俗。在古老的传说中，春分这天要挑选光滑匀称、一头大一头小的新鲜鸡蛋，将大头朝下，这样重心比较低，就像不倒翁一样最容易立起来。古人认为，春分“立蛋”是因为这一天地轴与黄道面构成某种平衡。从现代科学角度来看，“立蛋”在不同的时间都可以完成，而“黄道”一说可能在故弄玄虚。

(资料图片仅供参考)

湖南长沙市一位汽车司机崔聚国，曾在中央电视台举办的“吉尼斯中国之夜”节目里，在一分钟内将3个鸡蛋竖立在针尖上夺得金牌，创造了新的吉尼斯纪录。

谈及“立蛋”这门绝活，崔聚国说，诀窍就是要有耐心，能准确找到鸡蛋的重心。据崔聚国介绍，他练习这一绝活已6年时间，开始在地上练习立鸡蛋，成功后就转移到筷子、铅笔尖上，最后将鸡蛋立在针尖上。

在物理学中，“立蛋”是二力平衡的问题，这其中包括平衡条件和平衡稳度。二力平衡的条件是物体只受两个力作用，且这两个力大小相等、方向相反，作用在同一直线上。

鸡蛋被放在光滑的表面上，可以不考虑摩擦力，只受重力和接触面的支持力，由于重力竖直向下，所以接触面的支持力只能是竖直向上。

我们用手将一个小球放在稍微偏离碗底的碗壁上，这时小球所受碗壁支持力是垂直于所在碗壁的切面，不在竖直方向上，不能满足二力平衡条件。如果这时松开手，小球会在碗底部滚来滚去，最后稳稳地停在碗的底部。由于摩擦力实际上不可避免，小球在这个过程中机械能会越来越小，到静止在底部时，重力势能为最小值，达到稳定平衡。

当小球被放到一个倒扣在桌面上的半球型容器的顶部时，小球就不容易处于平衡状态，一有风吹草动就会立即失去平衡而滚落下来。我们把小球在顶部的暂时平衡称为不稳平衡。

最后，我们将小球放到一个光滑的水平面上，看到小球无论放在哪里都能处于平衡状态，随遇而安。我们把这样的平衡称为随遇平衡。

通过小球这三种平衡状态，我们发现，在稳定平衡时，稍微偏离平衡位置后，小球的重心位置升高；在不稳平衡时，稍微偏离平衡位置后，小球的重心位置降低；在随遇平衡时，稍微偏离平衡位置后，小球的重心位置高度不变。这样我们就找到了处于二力平衡状态物体的稳度与其重心高度变化的关系。

而稳度是物体处于稳定平衡时的稳定程度，其决定因素有两个：一是重心越低，稳度越大；二是支持面的面积越大，稳度越大。当物体重力作用线在支持面内时，物体的平衡是稳定的，如果重力作用线超出了支持面，物体就会翻倒。

我们在“立蛋”时，竖立的鸡蛋总处于不稳平衡状态，很容易受到轻微的扰动而失去在初位置的平衡。

根据稳度原理，我们可以在鸡蛋的小头开一个尽可能小的孔，倒出蛋液，然后用清水注入蛋壳，洗净残余的蛋液后用沙子或大米灌进蛋壳，使蛋壳稳定竖立于桌面，然后点燃一支蜡烛，将融化了的蜡烛液滴入蛋壳以固定沙子或大米，这样就做成了一个不倒翁。其原理是蛋壳在竖立时，重心处于最低点，不管怎样拨动，蛋壳都会使它的重心升高，蛋壳总会回到竖立状态。

（作者系湖南省物理学会会员）

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