Устойчивое и неустойчивое равновесие
Равновесие тела называют устойчивым, если после небольшого отклонения тело стремится вернуться в исходное положение. Если тело после отклонения удаляется от него, равновесие неустойчиво.
Чтобы определить устойчивость, рассматривают положение центра тяжести и площадь опоры тела. В обычном поле тяжести сила тяжести приложена к центру тяжести и направлена вертикально вниз.
Признаки устойчивости
Тело устойчиво, если при небольшом отклонении его центр тяжести поднимается. Под действием силы тяжести тело стремится опуститься, поэтому возвращается к прежнему положению. В терминах энергии устойчивому положению соответствует минимум потенциальной энергии.
Для тела на опоре важен также отвес, проведённый через центр тяжести. Если его проекция остаётся внутри площади опоры, тело сохраняет равновесие. Чем ниже расположен центр тяжести и чем шире опора, тем устойчивее тело.
При неустойчивом равновесии малое отклонение понижает центр тяжести. Поэтому сила тяжести создаёт опрокидывающий момент, и тело продолжает отклоняться. Например, карандаш, поставленный вертикально на острый конец, находится в неустойчивом равновесии.
Шарик в нижней точке чаши после небольшого смещения скатывается обратно: его центр тяжести поднимается при отклонении, поэтому равновесие устойчиво. Шарик на вершине выпуклой поверхности после смещения скатывается дальше: равновесие неустойчиво.
При безразличном равновесии после отклонения тело остаётся в новом положении. Например, шар на горизонтальной плоскости не возвращается и не удаляется сам по себе. Это не устойчивое и не неустойчивое равновесие.
Как изменяется положение центра тяжести тела при малом отклонении в устойчивом равновесии?
Понятие устойчивости применяют как часть общего рассмотрения равновесия тела. Для вращательного эффекта сил также важно учитывать момент силы, но главный признак в поле тяжести — изменение высоты центра тяжести.
Главное
- Устойчивое равновесие возвращает тело к исходному положению после малого отклонения; неустойчивое удаляет тело от него.
- В устойчивом положении при отклонении центр тяжести поднимается, а проекция центра тяжести остаётся внутри площади опоры.
- Чем ниже центр тяжести и шире площадь опоры, тем устойчивее тело.