مقال عن أنواع التوازن في جسم صلب
ليست كل الأشياء التي نجدها في حياتنا اليومية ثابتة دائمًا. قد يكون الجسم ساكنًا في البداية، ولكن إذا تحرك (بفعل الرياح مثلًا) فإنه قد يتحرك. تكمن المشكلة في ما إذا كانت الأشياء ستعود إلى موضعها الأصلي بعد الحركة أم لا. يعتمد هذا على نوع توازن الجسم. بعد الحركة، ستكون هناك ثلاثة احتمالات، وهي:
(1) يعود الجسم إلى موضعه الأصلي،
(2) يتحرك الجسم بعيدًا عن موضعه الأصلي،
(3) يبقى الجسم في موضعه الجديد.
إذا كان الجسم في حالة توازن مستقر بعد إعادته إلى موضعه الأصلي، فإن الجسم يكون في حالة توازن غير مستقر. أما إذا تحرك الجسم أكثر بعد تحريكه، فإن الجسم يكون في حالة توازن غير مستقر. وعلى العكس، إذا بقي الجسم في موضعه الجديد بعد تحريكه، فإن الجسم يكون في حالة توازن محايد.
1. التوازن المستقر
إذا سُلطت على جسم ساكن قوة أو عزم دوران (أي قوة محصلة أو عزم دوران محصل)، فإنه سيتحرك. ويكون الجسم في حالة اتزان إذا عاد إلى موضعه الأصلي بعد الحركة. وتعود الأجسام المتحركة إلى موضعها الأصلي بفعل القوة المحصلة أو عزم الدوران المحصل الذي يظهر بعد حركتها.
مثال 1: جسم معلق بحبل على دعامة. في البداية، يكون الجسم ساكنًا. بعد دفعه، يتحرك الجسم ثم يعود إلى موضعه الأصلي. يتركز وزن الجسم في مركزه، بينما تقع نقطة ارتكازه بين الحبل والدعامة. تعود الأجسام المتحركة إلى موضعها الأصلي بفعل محصلة الجاذبية في الاتجاه الأفقي (wx). تتلاشى قوة شد الحبل (T) ومركبة الجاذبية في الاتجاه الرأسي (wy) لأن هاتين القوتين متساويتان في المقدار ومتعاكستان في الاتجاه.
مثال ٢. الجسم في الوادي. في البداية، كان الجسم ساكنًا. بعد تحريكه، تحرك الجسم يمينًا ويسارًا، ثم عاد إلى موضعه الأصلي. تتحرك الكرة للعودة إلى موضعها الأصلي بفعل محصلة الجاذبية في الاتجاه الأفقي (wx). أما مركبة الجاذبية في الاتجاه الرأسي (wy) وقوة رد الفعل العمودية (N) فتلغي كل منهما الأخرى لأن القوتين متساويتان في المقدار ومتعاكستان في الاتجاه.
مثال 3. في البداية، يكون الجسم ساكنًا. مركز ثقله هو مركز الجسم، ونقطة ارتكازه عند قاعدته الملامسة للسطح المستوي. بعد تحريكه إلى اليمين، يرتفع الجسم إلى اليمين. إذا كان مركز ثقله لا يزال إلى يسار نقطة الارتكاز، فسيظل بإمكان الجسم العودة إلى موضعه الأصلي. يعود الجسم إلى موضعه الأصلي بفعل عزم الجاذبية الناتج. في هذه الحالة، تعمل نقطة الارتكاز كمحور دوران. على العكس، إذا تم تحريك الجسم إلى اليسار، فسيرتفع الجسم إذا رُفع الجسم إلى اليسار، فإنه إذا كان موضع مركز الثقل لا يزال إلى يمين نقطة الدعم، فإنه لا يزال بإمكان الجسم العودة إلى موضعه الأصلي.
في حالات مثل المثال الثالث، تبقى الأجسام في حالة اتزان مستقر إذا لم يمر مركز ثقلها بنقطة ارتكازها بعد رفعها. أما إذا تجاوز مركز ثقلها نقطة الارتكاز بعد رفعها إلى اليمين، فإن الجسم يتحرك بعيدًا عن موضعه الأصلي. وهذا مثال على حالة اتزان غير مستقر.
2. التوازن غير المستقر
يكون التوازن غير مستقر إذا كان الجسم ساكنًا في البداية بسبب محصلة القوى أو محصلة عزم القوى المؤثرة عليه. بعد الحركة، لا يعود الجسم إلى موضعه الأصلي، بل يبتعد عنه.
مثال 1. جسم ساكن في البداية بسبب تداخل. بعد الحركة، يستمر الجسم في الابتعاد عن موضعه. يبتعد الجسم عن موضعه الأصلي لأن مركز ثقله، بعد الحركة، يقع إلى يمين نقطة ارتكازه. عندما يقع مركز الثقل إلى يمين نقطة الارتكاز، ينشأ عزم قوة محصلة، مما يؤدي إلى إبعاد الجسم عن موضعه الأصلي.
المثال الثاني: يكون الجسم في البداية فوق القمة.
بعد تحريكه، يستمر الجسم في الابتعاد
يتحرك الجسم بعيدًا عن موضعه الأصلي بسبب وجود مركبات الجاذبية في الاتجاه الأفقي (w x ).
3. التوازن المحايد
يتحقق التوازن المحايد إذا بقي الجسم في موضعه الجديد بعد تحركه نتيجةً للتداخل . لا تعود الأجسام إلى موضعها الأصلي، ولا تبتعد عنه.
مثال 1: كرة تستقر في البداية على سطح مستوٍ، وهي تتحرك. بعد توقفها عن الحركة، تبقى الكرة في موضعها الجديد. لا تعود الكرة إلى موضعها الأصلي ولا تبتعد عنه.
بناءً على الشرح أعلاه، يمكن استنتاج ما يلي:
أولاً، إذا كان مركز ثقل الجسم أسفل نقطة الدعم، فإن الجسم يكون في حالة اتزان مستقر. على سبيل المثال، جسم معلق بحبل على حاجز.
ثانيًا، إذا كان مركز ثقل الجسم أعلى من نقطة ارتكازه، فإن توازن الجسم نسبي. يمكن أن تكون الأجسام مستقرة، ويمكن أن تكون غير مستقرة أيضًا.
ثالثًا، يعتمد توازن الأجسام على شكلها وحجمها. فالأجسام العريضة أكثر استقرارًا من الأجسام الضيقة.
رابعاً، يعتمد توازن الأجسام على المسافة بين مركز الثقل ونقطة الدعم.
إذا كان مركز الثقل بعيدًا عن نقطة الارتكاز، فإن الجسم يكون في حالة اتزان غير مستقر. وعلى العكس، إذا كان مركز الثقل قريبًا من نقطة الارتكاز، فإن حالة الاتزان تكون غير مستقرة.
