Artikel über die Arten des Gleichgewichts der starrer Körper
Nicht alle Dinge des Alltags ruhen immer. Anfangs mag ein Objekt ruhen, doch wenn es bewegt wird (beispielsweise durch Wind), kann es sich bewegen. Die Frage ist, ob Objekte nach einer Bewegung in ihre ursprüngliche Position zurückkehren oder nicht. Dies hängt von der Art des Gleichgewichts des Objekts ab. Nach einer Bewegung gibt es drei Möglichkeiten:
(1) Das Objekt kehrt an seinen ursprünglichen Platz zurück,
(2) Der Gegenstand entfernt sich von seinem ursprünglichen Ort,
(3) Der Gegenstand bleibt an seiner neuen Position.
Befindet sich ein Objekt nach dem Zurückbringen in seine ursprüngliche Position in einem stabilen Gleichgewicht, so ist es instabil. Bewegt es sich nach der Bewegung weiter, so ist es instabil. Bleibt es hingegen nach der Bewegung an seiner neuen Position, so ist es neutral.
1. Stabiles Gleichgewicht
Ein ruhender Körper bewegt sich, wenn auf ihn eine Kraft oder ein Drehmoment wirkt (es entsteht eine resultierende Kraft oder ein resultierendes Drehmoment). Ein Körper befindet sich im Gleichgewicht, wenn er nach der Bewegung in seine Ausgangsposition zurückkehrt. Bewegte Körper kehren aufgrund der resultierenden Kraft oder des resultierenden Drehmoments, die nach der Bewegung entstehen, in ihre Ausgangsposition zurück.
Beispiel 1. Ein Gegenstand hängt an einem Seil an einem Puffer. Zunächst befindet sich der Gegenstand in Ruhe. Nach einem Anstoß bewegt er sich und kehrt in seine Ausgangsposition zurück. Das Gewicht des Gegenstands wirkt in seinem Mittelpunkt, der Auflagepunkt liegt zwischen Seil und Puffer. Bewegte Gegenstände kehren aufgrund der resultierenden horizontalen Gewichtskraft (wx) in ihre Ausgangsposition zurück. Die Seilspannung (T) und die vertikale Gewichtskraftkomponente (wy) heben sich gegenseitig auf, da beide Kräfte gleich groß, aber entgegengesetzt gerichtet sind.
Beispiel 2. Der Gegenstand im Tal. Anfangs ruht der Gegenstand. Nach einer Bewegung schwankt er zunächst nach rechts und links und kehrt dann in seine Ausgangsposition zurück. Die Rückkehr in die Ausgangsposition wird durch die resultierende Schwerkraft in horizontaler Richtung (wx) bewirkt. Die Schwerkraftkomponente in vertikaler Richtung (wy) und die Normalkraft (N) heben sich gegenseitig auf, da beide Kräfte zwar gleich groß, aber entgegengesetzt gerichtet sind.
Beispiel 3. Der Gegenstand befindet sich zunächst in Ruhe. Sein Schwerpunkt liegt in der Mitte des Gegenstands, und der Auflagepunkt befindet sich an der Unterseite des Gegenstands, die die ebene Fläche berührt. Nach einer Bewegung nach rechts steigt der Gegenstand nach rechts an. Befindet sich der Schwerpunkt noch links vom Drehpunkt, kann der Gegenstand in seine Ausgangsposition zurückkehren. Dies geschieht aufgrund des resultierenden Drehmoments, das durch die Schwerkraft erzeugt wird. In diesem Fall dient der Auflagepunkt als Drehachse. Wird der Gegenstand hingegen nach links bewegt, … wird nach links angehoben. Befindet sich der Schwerpunkt noch rechts vom Auflagepunkt, kann das Objekt dennoch in seine ursprüngliche Position zurückkehren.
In Fällen wie Beispiel 3 befinden sich Objekte noch im stabilen Gleichgewicht, wenn ihr Schwerpunkt nach dem Anheben nicht durch den Auflagepunkt verläuft. Verschiebt sich der Schwerpunkt nach dem Anheben nach rechts über den Auflagepunkt hinaus, entfernt sich das Objekt von seiner ursprünglichen Position. Dies ist ein Beispiel für ein instabiles Gleichgewicht.
2. Instabiles Gleichgewicht
Das Gleichgewicht ist instabil, wenn sich der Körper aufgrund der resultierenden Kraft oder des resultierenden Kraftmoments, die auf ihn wirken, anfänglich nicht bewegt. Nach einer Bewegung kehrt der Körper nicht in seine ursprüngliche Position zurück, sondern entfernt sich von ihr.
Beispiel 1. Ein Objekt befindet sich aufgrund einer Störung zunächst in Ruhe. Nach der Bewegung entfernt sich das Objekt weiter von seinem Ausgangspunkt. Dies liegt daran, dass sich der Schwerpunkt nach der Bewegung rechts vom Auflagepunkt befindet. Dadurch entsteht ein resultierendes Drehmoment, das das Objekt von seinem Ausgangspunkt wegdreht.
Beispiel 2. Das Objekt befindet sich zunächst oberhalb des Gipfels.
Nachdem das Objekt bewegt wurde, bewegt es sich immer weiter weg.
Das Objekt entfernt sich von seiner ursprünglichen Position aufgrund der in horizontaler Richtung wirkenden Schwerkraftkomponenten (w x ).
3. Neutrales Gleichgewicht
Ein neutrales Gleichgewicht liegt vor, wenn ein Objekt nach einer durch Interferenz verursachten Bewegung an seiner neuen Position verbleibt. Objekte bewegen sich weder zurück an ihre ursprüngliche Position noch entfernen sie sich von dieser.
Beispiel 1: Ein Ball ruht zunächst auf einer ebenen Fläche und bewegt sich. Nachdem er zum Stillstand gekommen ist, bleibt er an seiner neuen Position. Der Ball bewegt sich weder zurück zu seiner ursprünglichen Position noch entfernt er sich von ihr.
Aus der obigen Erklärung lässt sich schließen:
Erstens: Befindet sich der Schwerpunkt eines Objekts unterhalb des Auflagepunktes, befindet sich das Objekt im stabilen Gleichgewicht. Beispielsweise hängt ein Objekt mit einem Seil an einem Puffer.
Zweitens: Befindet sich der Schwerpunkt eines Objekts oberhalb des Auflagepunkts, so ist das Gleichgewicht des Objekts relativ. Objekte können stabil oder instabil sein.
Drittens hängt das Gleichgewicht von Objekten von deren Form und Größe ab. Breitere Objekte sind stabiler als schmalere.
Viertens hängt das Gleichgewicht von Objekten von der Entfernung des Schwerpunkts vom Auflagepunkt ab.
Liegt der Schwerpunkt weit vom Auflagepunkt entfernt, befindet sich das Objekt in einem instabilen Gleichgewicht. Umgekehrt ist das Gleichgewicht instabil, wenn der Schwerpunkt nahe am Auflagepunkt liegt.
