重心與平衡

要使物體平穩(wěn)地置于桌面上，就要考慮它的重心與平衡的問題。從物理學(xué)觀點(diǎn)看，通過該物體的重心與桌面垂直的線(或面)要維持在該物體的支持面內(nèi)，否則，該物體就很容易倒下。在日常生活中涉及重心與平衡的例子隨手可拾。商代的酒器斝〔jia甲〕有三足，其重心總是落在三足點(diǎn)形成的等邊三角形內(nèi)。西漢中山靖王的朱雀銅燈，體現(xiàn)了工匠關(guān)于重心的巧妙構(gòu)思。東漢銅奔馬，三足騰空、一足落地。(圖2-8)因其重心剛好落在一支撐足上，即使支撐面很小，表面看來容易傾倒，事實(shí)上仍是穩(wěn)定平衡的。在雜技表演中，走繩者總是手握長杠或手持雨傘；單臂撐者，其兩腿總要彎過自己的頭頂。這些道具或造型，不僅在于美與險(xiǎn)的結(jié)合，使人驚心動(dòng)魄，更重要的是表演者必須采取的安全措施：保持自己的重心與平衡。

圖2-8體現(xiàn)重心與平衡原理的古代器物

(1)商代的斝；(2)西漢朱雀銅燈；(3)東漢銅奔馬；

大概在西周時(shí)期，聰明的工匠制造了一件“欹〔qi其〕器”?！办ァ奔磧A斜。它可以隨盛水的多少而發(fā)生傾斜變化。不裝水時(shí)，它成傾斜狀態(tài)；裝上一半水時(shí)，就中正直立；裝滿水時(shí)，它就自動(dòng)翻倒，將其所盛水倒出?！盾髯印ゅ蹲穼⑺鑼憺椤疤搫t欹、中則正、滿則覆”。之所以會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象，是由于欹器的重心隨盛水的多少而發(fā)生變化的緣故。有一天，孔子在魯廟中見到這種欹器，立即讓其弟子們作注水實(shí)驗(yàn)。然后，他諄諄告誡弟子：要謙虛，切戒自滿。漢代以后，不斷地有人制造各種欹器，充分體現(xiàn)中國人已熟練掌握了重心與平衡原理。

隋唐時(shí)期，或許由于飲酒之風(fēng)盛行，人們制作了一種勸人喝酒的玩具、經(jīng)匠心雕刻的木頭人，稱為“酒胡子”(圖2-9)。將它置于瓷盤中，“臲卼〔niewu聶誤〕不定”、“俯仰旋轉(zhuǎn)”、“緩急由人”。(《唐摭言·海敘不遇》)也有用紙制作的，“糊紙作醉漢狀，虛其中而實(shí)其底，雖按捺而旋轉(zhuǎn)不倒也。”(《陔〔gai該〕余叢考》卷三三)現(xiàn)在稱這些玩具為不倒翁。另一種勸酒器，雖稱不倒翁，但轉(zhuǎn)動(dòng)搖擺后最終還會(huì)倒下。宋代張邦基說：“木刻為人，而銳其下，置之盤中，左右欹側(cè)，僛僛〔qi欺〕然如舞之狀，久之，力盡乃倒?！?《墨莊漫錄》卷八)這種玩具指向某人或倒向某人，某人當(dāng)飲酒。

圖2-9兩種不倒翁

從這些歷史文獻(xiàn)記載中可以看出，不倒翁之一的重心略高于木頭人下半圓的中心，或略低于下半圓的中心。由于它們重心位置不同，造成它們左右搖擺后的不同后果。而古代人將它們制成半圓形下身，并在其內(nèi)“虛其中而實(shí)其底”，正說明他們有意識(shí)地利用重心位置與平衡的關(guān)系。

公元前2世紀(jì)成書的《淮南子·說山訓(xùn)》曾就本末倒置而造成不平衡的現(xiàn)象總結(jié)說：“下輕上重，其覆必易?！睎|漢王充在《論衡·狀留篇》中對平衡問題作了極好的論述：

圓物投之于地，東西南北無之不可，策杖叩動(dòng)，才微輒停。方物集地，一投而止，及其移徒，需人動(dòng)舉。

“策杖”是趕馬用的木棍。圓球投落地面，東西南北隨遇滾動(dòng)，只有用棍子制止它，它才會(huì)靜止一會(huì)兒。方形物體，投落地面，立即就靜止在那兒。如果要它移動(dòng)，就需要施加外力，即“需人動(dòng)舉”。這些現(xiàn)象正是力學(xué)中隨遇平衡和穩(wěn)定平衡的典型例子。

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