Как первоклассники с тяжеленными рюкзаками держатся на ногах?

Вы точно видели сегодня первоклассников. Впереди — маленький ребенок, а сзади — рюкзак размером почти с него самого. Кажется, еще чуть-чуть — и рюкзак перевесит, а школьник упадет. Но нет — идет. Как эта конструкция вообще держится? Разбираемся с учителем физики.

Вопрос. У первоклассников огромные тяжеленные рюкзаки. Как они вообще не заваливаются назад?

Ответ. Учитель физики Александр Яновский:

На самом деле первоклассник с большим рюкзаком — это очень интересная физическая система. Давайте разберемся, почему вся эта конструкция все-таки не падает.

Возьмем условного первоклассника массой 25 килограммов и ростом 125 сантиметров. Рюкзак пусть будет 5 килограммов — это, конечно, тяжелый вариант, но нам для расчета как раз интересно посмотреть, что происходит.

Сначала вспомним школьную физику: любой предмет на Земле притягивается к ней. Сила тяжести рассчитывается так:

F = mg.

Не пугайтесь. Здесь всё просто: m — масса, а g — ускорение свободного падения, примерно 9,8 м/с².

Для ребенка:

25 × 9,8 ≈ 245 Н.

Для рюкзака:

5 × 9,8 ≈ 49 Н.

То есть Земля тянет ребенка вниз с силой около 245 ньютонов, а рюкзак добавляет еще 49 ньютонов. И это при том, что рюкзак составляет 20% массы самого ребенка.

Теперь самое интересное. Рюкзак находится не внутри ребенка и даже не на его груди — он висит за спиной. Поэтому его сила тяжести действует не по центру тела, а сзади. Возникает так называемый момент силы — проще говоря, сила начинает не только тянуть вниз, но и пытаться повернуть ребенка назад.

Момент силы считается по формуле:

M = F × l.

Здесь F — сила, а l — расстояние от точки опоры до линии, по которой эта сила действует. Чем дальше рюкзак от тела, тем больше он влияет на равновесие ребенка.

Допустим, центр тяжести рюкзака находится примерно в 25 сантиметрах позади точки опоры. Тогда:

M = 49 × 0,25 ≈ 12 Н·м.

Получается, рюкзак создает момент силы примерно 12 ньютон-метров, который тянет ребенка назад.

Но ребенок, к счастью, не стоит как солдатик. Он немного наклоняется вперед. И в этот момент включается собственный вес ребенка. Если его центр тяжести сместить примерно на 5 сантиметров вперед относительно точки опоры, получится противоположный момент:

M = 245 × 0,05 = 12,25 Н·м.

То есть ребенок создает момент силы примерно такой же величины, как рюкзак: 12,25 против 12 Н·м.

Именно поэтому он не заваливается назад: ребенок компенсирует действие рюкзака небольшим наклоном вперед

Но здесь есть еще один важный момент — центр масс.

Центр масс — это условная точка, в которой можно представить сосредоточенной всю массу системы «первоклассник плюс рюкзак». Если рюкзак тяжелый и находится далеко за спиной, общий центр масс смещается назад. В нашем примере — примерно на 4 сантиметра.

И вот тут появляется главное правило равновесия: мы не падаем, пока проекция центра масс находится внутри площади опоры, то есть между ступнями.

В обычном положении, без рюкзака, центр тяжести человека находится примерно в районе таза. Пока его проекция остается над ступнями, человек сохраняет равновесие.

Поэтому, если рюкзак сместил общий центр масс на 4 сантиметра назад, ребенку достаточно немного податься вперед, чтобы эта точка снова оказалась над ступнями. Мозг получает информацию о положении тела, мышцы делают крошечные корректировки — и первоклассник благополучно продолжает идти.

По такому же принципу работает, например, устойчивость в сумо: если расставить ноги шире, площадь опоры увеличивается, и вывести центр масс за ее пределы становится сложнее.

Получается довольно забавно: первоклассник изучает физику еще по дороге в школу

Причем чем тяжелее рюкзак и чем дальше он от спины, тем больше ребенку приходится компенсировать его вес корпусом.

А теперь представим рюкзак уже не 5, а 6 килограммов. Это почти четверть массы нашего ребенка:

6 / 25 × 100% = 24%.

Для взрослого человека массой 70 килограммов это было бы примерно как постоянно ходить с 17-килограммовым рюкзаком.

Поэтому ответ простой: первоклассник не падает назад, потому что с каждым новым шагом он заново находит положение равновесия. Физика буквально заставляет его немного наклониться вперед

Если ваш первоклассник идет, согнувшись под рюкзаком, не спешите говорить избитое родительское: «Выпрями спину». Возможно, этот человек сейчас решает довольно сложную задачу по механике, причем без единой формулы в тетради.

Об эксперте

Александр Яновский — учитель физики, работает в школе с 2023 года. Окончил Южный федеральный университет по специальности «нанотехнологии и микросистемная техника» (бакалавриат, 2024), в 2026 году получил степень магистра по направлению «Физика наносистем и квантовых материалов». Также работает в научной лаборатории ЮФУ. В 2025 году стал призером районного этапа конкурса «Учитель года» в номинации «Педагогический дебют».

Обложка: коллаж «Мела». Фото: © Chat GPT / Open AI