Koncepcja i przykłady niestabilnej równowagi

2725
Jonah Lester

W mechanice obiekt jest w środku niestabilna równowaga gdy nieznacznie odsuwając go z położenia za pomocą siły, nie wraca do niego. Na przykład kula na poniższym rysunku, gdy znajduje się nad kopcem, znajduje się w niestabilnej równowadze, ponieważ najmniejsze zakłócenie spowoduje, że stoczy się w dół, bez możliwości powrotu własnymi środkami.

Rysunek 1. Piłka jest w stanie równowagi niestabilnej w pozycji lewej, w równowadze obojętnej w środku i w równowadze stabilnej po prawej stronie. Źródło: Wikimedia Commons.

W przeciwieństwie do tego, gdy piłka znajduje się na płaskiej powierzchni, na przykład w pozycji środkowej, mówi się, że znajduje się w środku obojętna równowaga lub neutralny. Można przyłożyć zakłócającą siłę, przesuwając ją na jedną lub drugą stronę, ale jeśli ta siła zniknie, piłka znów się ustabilizuje.

Wreszcie po prawej stronie kula znajduje się na dnie wklęsłego pojemnika. Ta pozycja jest również pozycją równowagi, ale równowaga stabilna. Siła, która przeszkadza piłce, sprawi, że będzie ona tylko trochę oscylować wokół pierwotnej pozycji, aby w końcu spokojnie do niej powrócić..

Indeks artykułów

  • 1 Przyczyny utraty równowagi
    • 1.1 Czynniki gwarantujące stabilność
  • 2 Przykłady równowagi
    • 2.1 Równowaga w ciałach podpartych
    • 2.2 Równowaga w zawieszonych ciałach
  • 3 Odnośniki

Przyczyny utraty równowagi

Zwykłe przedmioty (oraz ludzie i zwierzęta) tracą równowagę i upadają z powodu momentu obrotowego spowodowanego ciężarem, siły, jaką Ziemia wywiera na wszystkie obiekty w pobliżu jej powierzchni. Kiedy masz wyprostowane ciało, nazywa się punkt, w którym działa ciężar środek ciężkości.

Ciężar można zrównoważyć dzięki podparciu, jakie zapewnia powierzchnia, dzięki czemu obiekt nie będzie się poruszał. Ale mimo to nadal ma możliwość obrócenia się w pewnym momencie, ponieważ w rozciągniętych obiektach równowaga sił nie jest jedynym czynnikiem, który utrzymuje je w bezruchu, ale także miejscem, w którym te siły są przyłożone..

Poniżej znajduje się postać z ołówkiem wyważonym na czubku, w niestabilnej równowadze. Każdy przeciąg powietrza spowoduje przewrócenie się, ale w międzyczasie ciężar i normalna siła podparcia równoważą się. Ponadto obie siły mają tę samą linię działania, która przechodzi przez czubek ołówka, zapewniając równowagę..

Ale jeśli ołówek jest lekko przechylony, jak pokazano po prawej stronie, linia działania ciężarka przestaje przechodzić przez końcówkę, która działa jak oś. Następnie ciężarek wytwarza niezrównoważony moment obrotowy, a trzpień obraca się zgodnie z ruchem wskazówek zegara..

Rysunek 2. Ołówek spoczywający na czubku jest w niestabilnej równowadze, niewielkie zakłócenie spowoduje, że ciężarek wytworzy moment obrotowy w stosunku do końcówki i ołówek spadnie. Źródło: F. Zapata.

Czynniki gwarantujące stabilność

Prawie zawsze poszukuje się równowagi stabilnej, ponieważ równowaga niestabilna jest, jak sama nazwa wskazuje, dość niepewna. Kontynuując przykład ołówka, gdy upadnie i spocznie poziomo na powierzchni, nowa pozycja jest znacznie bardziej stabilna niż wtedy, gdy stał na czubku..

Wynika to z faktu, że z jednej strony środek ciężkości jest bliżej powierzchni, az drugiej powierzchnia nośna ołówka jest znacznie większa..

Gdy powierzchnia podparcia jest większa, jest większe prawdopodobieństwo, że normalna będzie w stanie przeciwdziałać ciężarowi, ponieważ powierzchnia jest dokładnie tym, czym wywiera normalny. A jeśli odległość od środka ciężkości do powierzchni jest mniejsza, ramię dźwigni ciężarka jest mniejsze, a co za tym idzie, również mniejszy jest moment obrotowy..

Podsumowując, im większa podstawa podparcia obiektu i im bliżej podłoża znajduje się jego środek ciężkości, tym mniejsze prawdopodobieństwo przewrócenia się i równowaga ma tendencję do stabilizacji. Niemowlęta o tym wiedzą i dlatego mają tendencję do raczkowania, zanim zaryzykują wstawanie.

A jeśli zamiast być podparte, ciało jest zawieszone w pewnym punkcie, położenie środka ciężkości również odgrywa znaczącą rolę przy ustalaniu równowagi, co zostanie wkrótce przedstawione w poniższych przykładach.

Przykłady równowagi

Równowaga w podpieranych ciałach

Równowaga w ciałach podpartych zależy, jak powiedziano, od:

-Jak blisko powierzchni znajduje się środek ciężkości.

-Wielkość podstawy obiektu.

Rozważ stożek na płaskim stole. Bez wątpienia najbardziej stabilną pozycją jest podstawa stożka w pełni oparta na stole. Jest to pozycja stabilnej równowagi, ponieważ środek ciężkości stożka znajduje się na osi symetrii i bliżej podstawy niż wierzchołka..

Obojętną równowagę uzyskuje się przez umieszczenie stożka w pozycji leżącej, a niestabilna równowaga odpowiada stożkowi na jego czubku, podobnie jak ołówek, co może nie być łatwym zadaniem, ponieważ przy najmniejszym ruchu stożek wywraca się.

Rysunek 3. Stabilna, obojętna i niestabilna równowaga stożka spoczywającego na stole. Źródło: F. Zapata.

Równowaga w zawieszonych ciałach

Często spotyka się zawieszone ciała zwisające z co najmniej jednego punktu, takie jak obrazy i lampy. Ustalając równowagę, weź pod uwagę położenie środka ciężkości i punktu zawieszenia..

Sytuację można łatwo zwizualizować za pomocą prostokątnego arkusza tektury lub reguły jednorodnego materiału. Tutaj środek ciężkości pokrywa się z geometrycznym środkiem figury, przy założeniu, że masa obiektu jest równomiernie rozłożona.

Aby umieścić arkusz w niestabilnej równowadze, jest on zawieszony w pewnym punkcie pod środka ciężkości, możesz nawet trzymać prześcieradło luźno między palcami, aby zapewnić swobodę ruchów.

Wystarczy niewielka siła, aby ostrze obróciło się natychmiast w jednym lub drugim kierunku. Powód skrętu jest taki sam jak w przypadku podpartego przedmiotu: ciężar wywiera nieskompensowany moment obrotowy, który ułatwia obrót korpusu.

Podczas obracania arkusz przechodzi przez pozycję, która jest stabilna w równowadze, w której znajduje się punkt zawieszenia z góry Środek ciężkości. Wokół tej pozycji nieco się oscyluje i wreszcie zatrzymuje się.

Jeśli siła zostanie ponownie przyłożona, ostrze ponownie oscyluje, ale wraca ponownie do tego położenia, w którym punkt zawieszenia i środek ciężkości są wyrównane z pionem.

Wreszcie, obojętna równowaga jest sprawdzana, przepuszczając szpilkę tuż przez środek ciężkości. Jeśli arkusz zostanie obrócony, aby znalazł się w różnych pozycjach, widać, że nie będzie między nimi większej różnicy.

Podsumowując, dla ciał zawieszonych w niestabilnej równowadze punkt zawieszenia znajduje się poniżej środka ciężkości. I odwrotnie dla stabilnej równowagi.

Bibliografia

  1. Bauer, W. 2011. Fizyka dla inżynierii i nauki. Tom 1. Mc Graw Hill.
  2. Giancoli, D. 2006. Fizyka: Zasady z zastosowaniami. 6th. Ed prentice hall.
  3. Hewitt, Paul. 2012. Konceptualne nauki fizyczne. 5. Ed Pearson.
  4. Resnick, R. (1999). Fizyczny. Vol. 1. 3. wydanie w języku hiszpańskim. Compañía Editorial Continental S.A. przez C.V.
  5. Rex, A. 2011. Podstawy fizyki. osoba.
  6. Sears, Zemansky. 2016. Fizyka uniwersytecka z fizyką współczesną. 14. Ed. Tom 1. Pearson.

Jeszcze bez komentarzy