看生活小视频、说力学大道理

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引言：不知道从何时起，小视频逐渐深入到人们的生活中，像抖音、快手、火山小视频等等，人们可以随时随地记录日常生活，以完全不懂视频编辑的方式进行采编，之后上传平台快速传播。本文精选了5个小视频，尝试说说它们所蕴含的力学道理。不妥之处，敬请各位老师、同学批评指正！

01、西安大唐不夜城“不倒翁小姐姐”

“不倒翁小姐姐”可能算的上是2019年最火的短视频了，在各种短视频平台相关视频超过6000条，总播放量达到了惊人的15.9亿次。“巧笑倩兮，美目盼兮，翩若惊鸿，婉若游龙”，不仅惊艳了国人，还惊艳到了国外！

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来源：网络

如下图所示，不倒翁的关键道具是一个“球形底座+立柱”结构，表演时人双脚踩在下面两块金属片上，腰部绑在上面的金属片上。竖直时重心最底，不倒翁处于稳定状态。当不倒翁向一侧倾斜时，重心升高，同时产生恢复竖直状态的力矩。此时，人还可以通过弯曲身体，改变不倒翁的重心，有节奏的控制不倒翁的摆动。

图1

（来源：网络）

为了说明这个过程，我们画出下图：(a) 表示不倒翁平衡时，竖直放置，重心位于对称轴mm'上的某一点，可以证明，平衡时重心的位置最低；(b) 当不倒翁向右倾斜后，过底座与地面的接触点，垂直向上画出一条参考线nn'（这条线随着不倒翁的倾斜角度在移动），此时重心向左偏移，产生图例中逆时针旋转的力矩 (G*d)，使不倒翁有恢复平衡状态的趋势；(c) 一定范围内，倾角越大，d 就增大，恢复力矩也增大；(d) 若将身体弯曲，不倒翁重心向左偏移，可以增加d，又增大力矩 (G*d)。

图2

但是，如果倾倒的太厉害，重心接近nn' 时，就可能发生危险，摔倒在地上。此时重心位于nn' 右侧，不再产生恢复力矩，就需要旁人帮助自己。

图3

这种危险也确有发生！网上另一视频中小姐姐摔倒后，工作人员掰着不倒翁的底座，硬生生的把小姐姐掰了起来。我们可以结合图1想象一下，腰被固定后，在掰起的过程中，人腰部往上的半身相当于悬臂梁，弯矩最大在固定端，即腰绑在金属片的部位。如果工作人员突然发力，静载荷变动载荷，最大弯矩还会被放大，很可能会让人受伤。

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视频中能看出，在工作人员掰起的时候，小姐姐的表情有明显的“不舒适”！这也让很多观众看了也很不舒服。每一段美丽的背后都有说不尽的辛酸！

02、有灵魂的黑球

“黑不溜秋”的一个椭圆球，老者将其放置在一块长竹片上，让它躺下，它就躺下，让它起来，它就起来，让它翻跟斗，它就翻跟斗。真是做了怪了！

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这是什么道理呢？我大胆猜一下，说的不对，请大家予以指正！我怀疑它的原理和不倒翁的原理是一样的。也有人将不倒翁做成椭圆球形的。

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如果在椭圆球内部放置一个可动的重球，如下图所示棕色球所示，重球可以在重力作用下滚动，当重球在椭圆球内滚动时，椭圆球就会跟着重球滚动，产生椭圆球翻跟斗的印象。

如果控制力度恰好，当重球位于椭圆球中部时，椭圆球躺倒，当重球滚到椭圆球一端时，椭圆球竖起。

重球在尺寸上不能太小，太小的话，重球在椭圆球内的位置较多，不容易控制。这就需要重球稍微大一些，最好是只有三个位置，即椭圆球两端和中间部位，以便于控制。

在小视频中，老者手持的竹片略微倾斜，应该就是利用重力在控制椭球内的球滚动。

图5

03、神奇的悬浮术

大多悬浮术表演都会有一个拐杖与地面相连，将身体悬浮在空中。其实，拐杖就是支撑身体重量的传力结构。拐杖也可以做成其它的道具，如视频中的铁锹。

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印度电影《我的神啊》还对悬浮术进行了揭秘，先是一位高僧拄着拐杖悬浮在空中。

下一幕，衣服被人扯了之后，自己就这样光溜溜被暴露在众人面前，那个拐杖做成的支架也完整的展现在人们面前，悬浮的身体实际上是坐在一个靠拐杖支撑的座椅上。

如下图所示，用于悬浮表演的道具一般包括三个部分：一是座椅，也可以是绑在人腰部的其它固定装置；二是拐杖（或铁锹等），负责连接底座和座椅；三是底座。

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悬浮者的下方都会铺一块毯子，那就是为了遮挡底座的。底座要有一定的面积，以保证悬浮结构的整体平衡，不会翻倒（理论力学平衡问题）；小视频中铁球下方是一个方形底座起同样的作用。其次，要对构件的强度进行校核，以保证不会人坐上去构件折断而摔下来（材料力学强度分析）。最后千万记住：悬浮术还要对衣服的质量进行校核，不要轻易的被人给扯了！

04、耍帽翅功夫揭秘  

耍帽翅，也称“闪帽翅”“帽翅功”，是戏曲中官生或袍带丑等角色用来表达心理活动的一种舞台表演技巧。耍帽翅最早由蒲剧（山西运城地区的地方戏）须生（即老生）表演艺术家阎逢春首创，如今已被婺剧（wù jù，浙江金华地区的地方戏），晋剧、秦腔、河北梆子、豫剧等剧种争相吸收。

帽翅功有单翅闪，两根帽翅一翅停稳，一翅上下闪动或轮转的：

王艺华 · 蒲剧《周仁回府·悔路》

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双翅闪，双翅同时上下闪动：

李月仙 · 晋剧《杀驿》

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滚翅，双翅相互倒换上下闪动，双翅一前一后轮转闪动：

贾庭聚 · 豫剧《布衣巡抚魏允贞》

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耍帽翅完全由脖颈及后脑勺控制，需刻苦磨练方能运用自如。从结构上来看，为了便于晃动，帽翅由弹簧与头盔连接，如下图所示。为了便于演员控制，帽翅上弹簧的长短软硬、帽翅质量就成为帽翅设计的重要参数。

图6

从运动控制上讲，帽翅功主要在于控制脑袋的晃动特点。例如，单翅闪时，要使头与头盔组成的体系做“定点运动”。在图上图所示平面内，如果以A 点为定点，控制B 点绕A 点上下晃动，则A 翅不动，B 翅上下晃动；如果以A 点为定点，控制B 为绕A 点做类陀螺运动，则B 翅可实现前后滚动。

双翅闪似乎相对容易控制一些，上下晃动时，只需要控制A、B 两点同时上下，有节奏的低头抬头即可。如果要做滚翅，就以A、B 之间的某一点为定点（该点不一定在脑袋上），让A、B绕该点做类陀螺运动，脑袋左右前后有节奏的转动即可，并且定点到A、B 两点的距离相当时，两翅有相同的滚动幅值，否则两翅将出现不同幅值的滚动。

在控制运动的时候，还要兼顾好帽翅的振动特性，主要是频率和相位两个参数。最开始的视频中，先晃动一翅，然后突然停止另一翅晃动，就更显功夫了。这相当于先以B 为定点，晃动A 翅，突然在某一时刻给A 点输入一个相位相反的运动，使其停止下来，术语被称为主动隔振（对比于使用阻尼的被动隔振），就在A 翅被主动隔振的同时，将定点从B 点换为A 点，继续使B 翅以A 为定点做定点运动。

“冬练三九、夏练三伏”，任何成就都不可能凭空而来，都是刻苦训练、坚持不懈而换来的。这句话送给每一位奋斗者，也包括我自己！

05、协作与统筹的启示

由简单个体组成复杂整体的例子也是大自然的特色之一。又如广州电视塔，从结构上来说，它属于筒中筒结构（超高层建筑的两种常用形式：筒中筒，双塔结构），外筒由24根钢柱和46个钢椭圆环交叉构成，46个椭圆逐渐旋转，由大变小，再由小变大，在塔身2/3处形成了“束腰”，电视塔整体造型如少女回眸，也被人昵称“小蛮腰”。

广州电视塔

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你能想见，在这样有着“回眸一笑”的婀娜姿态中，组成外筒的24根钢柱全部是直钢柱吗？确实是这样，广州电视塔的外筒面为扭转双曲面。在几何学上，像这样可由直线组成的曲面被称为直纹面。正如下图所示的完全由直杆捆绑而成的双曲抛物面结构。

直杆构成的双曲抛物面

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可以证明，双曲抛物面可由一簇或两簇直线扫略而成，这也是直纹面的重要特点。

直线构成的双曲抛物面

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最简单的直纹面，如圆柱面、圆锥面，复杂一些的如双曲面、螺旋面、马鞍面等等，见下图。

各种各样的直纹面

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尽管个体所能展现的情况是有限的，但整体却有无限可能。这对于我们的启示是多方面的：

  · 第一，如果只关注个体利益，就永远无法领略整体的精妙；

  · 第二，只有将个体的行动融入到集体中，个体才真正拥有了自己的价值；

  · 第三，合理统筹可以使简单的个体组成非常了不起的整体。

这大概就是人们强调团队重要性的原因所在！

（原文说明：视频来源于微信、浏览器、网页等，因公众号单篇文章最多只能添加3个视频，“有灵魂的黑球”和“悬浮术”转为gif图。）

来源：力学酒吧微信公众号（ID：Mechanics-Bar），作者：张伟伟 太原科技大学。