Conceito de equilíbrio instável e exemplos

Na mecânica, um objeto está em Equilíbrio instável Quando movendo -o apenas de sua posição pela força, ele não volta a ele. Por exemplo, a bola da figura a seguir, quando estiver acima do monte, está em equilíbrio instável, porque o menor distúrbio fará com que isso seja de cabeça para baixo, sem a possibilidade de retornar por seus próprios meios.

figura 1. A bola está em equilíbrio instável na posição da esquerda, em equilíbrio indiferente no centro e em equilíbrio estável à direita. Fonte: Wikimedia Commons.

Por outro lado, quando a bola está em uma superfície plana, como na posição do centro, diz -se que está em Equilíbrio indiferente ou neutro. Uma força que perturba pode ser aplicada, movendo -a para outro lado, mas se a força desaparecer, a bola será estável novamente.

Finalmente, à direita, a bola está no fundo de uma tigela côncava. Esta posição também é equilibrada, mas Equilíbrio estável. Uma força que perturba a bola só o fará oscilar um pouco na posição original, para acabar retornando a ela.

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Causas de perda de equilíbrio

Objetos comuns (e pessoas e animais) perdem o equilíbrio e caem por causa do torque originado pelo peso, a força exercida pela terra sobre todos os objetos próximos à sua superfície. Quando você tem um corpo estendido, o ponto em que o peso é chamado Centro de gravidade.

O peso pode ser equilibrado graças ao apoio, como o que fornece uma superfície, e dessa maneira o objeto não se moverá. Mas ainda tem a possibilidade de virar em relação a algum ponto, porque em objetos estendidos, o equilíbrio de forças não é o único fator para mantê -los quietos, mas também o lugar onde essas forças são aplicadas.

Abaixo, há uma figura com um lápis equilibrado na ponta, em equilíbrio instável. Qualquer corrente de ar o desviará, mas enquanto isso, o peso e a força normais que se sustentam são compensados. Além disso, ambas as forças têm a mesma linha de ação e isso passa pela ponta do lápis, garantindo o equilíbrio.

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Mas se o lápis se inclina um pouco, como mostrado à direita, a linha de ação do peso para de passar pela ponta, que atua como um pivô. Então o peso produz um torque não balancado e o lápis gira na direção das mãos do relógio.

Figura 2. O lápis suportado em sua ponta está em equilíbrio instável, um pequeno distúrbio fará com que o peso produza um torque em relação à ponta e o lápis cairá. Fonte: f. Zapata.

Fatores que garantem estabilidade

Quase sempre o que é procurado é o equilíbrio estável, uma vez que o equilíbrio instável é, como o nome indica, bastante precário. Continuando com o exemplo do lápis, uma vez que cai e permanece horizontalmente na superfície, a nova posição é muito mais estável do que quando foi interrompida na ponta.

Isso ocorre porque, por um lado, o centro de gravidade está mais próximo da superfície e, por outro, a superfície de suporte do lápis é muito maior.

Quando a superfície de suporte é lar. E se a distância do centro de gravidade à superfície for menor, o braço da alavanca de peso é menor e, portanto, o torque também é.

Em conclusão, quanto maior a base de apoio do objeto, e mais perto de seu centro de gravidade no chão, menor a probabilidade de cair e o equilíbrio tende a ser estável. Os bebês sabem disso e é por isso que costumam quebrar antes de arriscar em pé.

E se, em vez de ser apoiado, o corpo será suspenso de um ponto, a localização do centro de gravidade também tem um papel de destaque ao estabelecer o equilíbrio, como será visto em breve nos exemplos a seguir.

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Exemplos de equilíbrio

Equilíbrio em corpos apoiados

O equilíbrio nos corpos apoiados depende, conforme declarado, em:

-Quão perto o centro de gravidade da superfície.

-O tamanho da base do objeto.

Considere um cone em uma mesa plana. A posição mais estável sem dúvida é com a base do cone totalmente suportada na mesa. Esta é a posição estável de equilíbrio, uma vez que o centro de gravidade do cone está no eixo da simetria e mais próximo de sua base do que da ponta.

O equilíbrio indiferente é alcançado colocando o cone que o equilíbrio instável corresponde ao cone em sua ponta, como o lápis, o que pode não ser uma tarefa fácil, dado que o menor movimento que o cone se transforma.

Figura 3. Equilíbrio estável, indiferente e instável de um cone suportado em uma mesa. Fonte: f. Zapata.

Equilíbrio em corpos suspensos

É comum encontrar corpos suspensos que pendem pelo menos um ponto, como pinturas e lâmpadas. Ao estabelecer o equilíbrio, é necessário considerar a localização do centro da gravidade e a do ponto de suspensão.

A situação é fácil de visualizar com a ajuda de uma folha de papelão retangular ou uma regra de material homogêneo. Aqui, o centro de gravidade coincide com o centro geométrico da figura, que assumindo que a massa do objeto é distribuída uniformemente.

Para colocar a folha em equilíbrio instável, ela é suspensa de um ponto que é encontrado por baixo Do centro da gravidade, ele apenas segura a folha entre os dedos sem apertar muito, para deixá -lo liberdade de movimento.

Uma pequena força é suficiente para a folha girar imediatamente em um sentido ou outro. O motivo da curva é o mesmo que no caso do objeto suportado: o peso exerce um torque intromovido que facilita a rotação do corpo.

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Ao girar, a folha passa por uma posição de equilíbrio estável, no qual o ponto de suspensão permanece por cima do centro de gravidade. Em torno desta posição, ele varia um pouco e finalmente para.

Se uma força for aplicada novamente, a lâmina varia novamente, mas retorna a essa posição novamente, na qual o ponto de suspensão e o centro de gravidade estão alinhados com a vertical.

Finalmente, o equilíbrio indiferente é verificado passando um alfinete precisamente através do centro de gravidade. Se a folha for virada para permanecer em posições diferentes, é visto que não haverá maior diferença entre eles.

Em conclusão, para os corpos suspensos em equilíbrio instável, o ponto de suspensão está abaixo do centro de gravidade. E o oposto para equilíbrio estável.

Referências

1. Bauer, w. 2011. Física para engenharia e ciências. Volume 1. Mc Graw Hill.
2. Giancoli, d.  2006. Física: Princípios com aplicações. 6º. Ed Prentice Hall.
3. Hewitt, Paul. 2012. Ciência física conceitual. 5 ª. Ed. Pearson.
4. Resnick, r. (1999). Físico. Vol. 1. 3ª ed. em espanhol. Empresa Editorial Continental S.PARA. claro.V.
5. Rex, a. 2011. Fundamentos da Física. Pearson.
6. Sears, Zemansky. 2016. Física da Universidade com Física Moderna. 14º. Ed. Volume 1. Pearson.