In meccanica, un oggetto è dentro equilibrio instabile quando spostandolo leggermente dalla sua posizione per mezzo di una forza, non vi ritorna. Ad esempio, la palla nella figura seguente, quando è sopra il cumulo, è in equilibrio instabile, poiché il minimo disturbo la farà rotolare in discesa, senza possibilità di tornare con i propri mezzi.
Al contrario, quando la palla si trova su una superficie piana, come nella posizione centrale, si dice che sia dentro equilibrio indifferente o neutro. È possibile applicare una forza di disturbo spostandola da una parte o dall'altra, ma se la forza scompare, la palla tornerà stabile.
Infine, a destra, la palla si trova sul fondo di un contenitore concavo. Questa posizione è anche una di equilibrio, ma di equilibrio stabile. Una forza che disturba la palla la farà solo oscillare un po 'intorno alla posizione originale, per finire per ritornarvi tranquillamente..
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Oggetti comuni (e persone e animali) perdono l'equilibrio e cadono a causa della coppia causata dal peso, la forza che la Terra esercita su tutti gli oggetti vicini alla sua superficie. Quando hai un corpo esteso, viene chiamato il punto in cui agisce il peso centro di gravità.
Il peso può essere bilanciato grazie ad un supporto, come quello fornito da un piano, e in questo modo l'oggetto non si muoverà. Ma anche così, ha ancora la possibilità di girare su un punto, perché negli oggetti estesi l'equilibrio delle forze non è l'unico fattore per mantenerli fermi, ma anche il luogo in cui queste forze vengono applicate..
Di seguito una figura con una matita in equilibrio sulla punta, in equilibrio instabile. Qualsiasi corrente d'aria lo farà ribaltare, ma nel frattempo il peso e la normale forza di supporto si compensano a vicenda. Inoltre, entrambe le forze hanno la stessa linea di azione e questa passa attraverso la punta della matita, garantendo l'equilibrio..
Ma se la matita è leggermente inclinata, come mostrato a destra, la linea di azione del peso smette di passare per la punta, che funge da perno. Quindi il peso produce una coppia sbilanciata e lo stilo ruota in senso orario..
L'equilibrio stabile è quasi sempre ricercato, poiché l'equilibrio instabile è, come suggerisce il nome, piuttosto precario. Continuando con l'esempio della matita, una volta che cade e si ferma orizzontalmente sulla superficie, la nuova posizione è molto più stabile rispetto a quando si trovava in punta..
Ciò è dovuto al fatto che, da un lato, il baricentro è più vicino alla superficie e, dall'altro, il piano di appoggio della matita è molto più grande..
Quando la superficie di appoggio è più grande, è più probabile che la normale sia in grado di contrastare il peso, poiché la superficie è esattamente ciò che la normale esercita. E se la distanza dal centro di gravità alla superficie è minore, il braccio di leva del peso è minore, e di conseguenza anche la coppia è minore..
In conclusione, maggiore è la base di appoggio dell'oggetto, e più il suo baricentro è vicino al suolo, minore è la probabilità di ribaltamento e l'equilibrio tende ad essere stabile. I bambini lo sanno ed è per questo che tendono a gattonare prima di rischiare di alzarsi in piedi.
E se invece di essere sostenuto, il corpo è sospeso da un punto, anche la posizione del baricentro gioca un ruolo preminente nello stabilire l'equilibrio, come si vedrà a breve negli esempi seguenti.
L'equilibrio nei corpi supportati dipende, come detto, da:
-Quanto è vicino il centro di gravità alla superficie.
-La dimensione della base dell'oggetto.
Considera un cono su un tavolo piatto. La posizione più stabile senza dubbio è con la base del cono completamente appoggiata sul tavolo. Questa è la posizione di equilibrio stabile, poiché il centro di gravità del cono è sull'asse di simmetria e più vicino alla sua base che alla punta..
L'equilibrio indifferente si ottiene ponendo il cono sdraiato e l'equilibrio instabile corrisponde al cono sulla sua punta, come la matita, operazione che potrebbe non essere facile, poiché al minimo movimento il cono si capovolge.
È comune trovare corpi sospesi che pendono da almeno un punto, come quadri e lampade. Quando si stabilisce l'equilibrio, considerare la posizione del centro di gravità e quella del punto di sospensione..
La situazione è facilmente visualizzabile con l'aiuto di un foglio di cartone rettangolare o di una regola di materiale omogeneo. Qui il baricentro coincide con il centro geometrico della figura, che assumendo che la massa dell'oggetto sia distribuita uniformemente.
Per posizionare il foglio in equilibrio instabile, viene sospeso da un punto che è sotto dal centro di gravità, puoi persino tenere il foglio senza stringere tra le dita per darti libertà di movimento.
Una piccola forza è sufficiente perché la lama ruoti immediatamente in una direzione o nell'altra. Il motivo della rotazione è lo stesso che nel caso dell'oggetto supportato: il peso esercita una coppia non compensata che facilita la rotazione del corpo.
Durante la rotazione, il foglio attraversa una posizione di equilibrio stabile, in cui si trova il punto di sospensione da sopra centro di gravità. Attorno a questa posizione oscilla un po 'e alla fine si ferma.
Se si applica nuovamente una forza, la lama oscilla di nuovo ma ritorna in quella posizione, in cui il punto di sospensione e il baricentro sono allineati con la verticale.
Infine si controlla l'equilibrio indifferente facendo passare uno spillo proprio nel baricentro. Se il foglio viene ruotato per essere in posizioni diverse, si vede che non ci saranno differenze importanti tra di loro.
In conclusione, per corpi sospesi in equilibrio instabile, il punto di sospensione è al di sotto del baricentro. E l'opposto per l'equilibrio stabile.
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