Artikkeli tasapainotyypeistä jäykkä runko
Kaikki arkielämässä kohtaamamme esineet eivät aina lepää. Ehkä aluksi esine lepää, mutta jos sitä liikutetaan (esimerkiksi tuulen vaikutuksesta), esineet voivat liikkua. Ongelmana on, palaavatko esineet liikkumisen jälkeen alkuperäiseen asentoonsa vai eivät. Tämä riippuu esineen tasapainon tyypistä. Liikkumisen jälkeen on kolme mahdollisuutta:
(1) esine palaa alkuperäiseen asentoonsa,
(2) esine liikkuu pois alkuperäisestä sijainnistaan,
(3) esine pysyy uudessa paikassaan.
Jos esine on siirretty takaisin alkuperäiseen asentoonsa, se on vakaassa tasapainossa. Jos esine liikkuu vielä pidemmälle siirron jälkeen, se on epävakaassa tasapainossa. Kääntäen, jos esine pysyy uudessa asennossaan siirron jälkeen, se on neutraalissa tasapainossa.
1. Vakaa tasapaino
Kappale, joka on alun perin levossa, liikkuu, jos siihen kohdistetaan voimaa tai vääntömomenttia (on olemassa resultanttivoima tai voiman resultanttimomentti). Tasapaino on vakaa, jos kappale liikkumisen jälkeen palaa alkuperäiseen asentoonsa. Liikkuvat kappaleet palaavat alkuperäiseen asentoonsa resultanttivoiman tai voiman resultanttimomentin vaikutuksesta, joka ilmenee kappaleen liikkumisen jälkeen.
Esimerkki 1. Kappale roikkuu köydellä puskurin päällä. Aluksi kappale on levossa. Työntämisen jälkeen kappale liikkuu ja palaa alkuperäiseen asentoonsa. Kappaleen paino on kappaleen keskellä, ja tukipiste on köyden ja tuen välissä. Liikkuvat kappaleet palaavat alkuperäiseen asentoonsa vaakasuuntaisen painovoiman (wx) vaikutuksesta. Köyden kireys (T) ja pystysuuntainen painovoimakomponentti (wy) eliminoivat toisensa, koska näillä kahdella voimalla on sama suuruus, mutta ne ovat vastakkaiseen suuntaan.
Esimerkki 2. Kappale laaksossa. Aluksi kappale lepää. Liikkeelle päästyään kappale liikkuu oikealle ja vasemmalle ja palaa sitten alkuperäiseen asentoonsa. Pallo liikkuu takaisin alkuperäiseen asentoonsa vaakasuuntaisen painovoiman (wx) vaikutuksesta. Pystysuuntainen painovoimakomponentti (wy) ja normaalivoima (N) eliminoivat toisensa, koska näillä kahdella voimalla on sama suuruus, mutta niiden suunta on vastakkainen.
Esimerkki 3. Aluksi kappale lepää. Painopiste on kappaleen keskipisteessä ja tukipiste on kappaleen pohjassa kosketuksissa tasoon. Oikealle liikkumisen jälkeen kappale nousee oikealle. Jos painopisteen sijainti on edelleen tukipisteen vasemmalla puolella, kappale voi silti palata alkuperäiseen asentoonsa. Kappale voi liikkua takaisin alkuperäiseen asentoonsa painovoiman synnyttämän resultanttivoimamomentin ansiosta. Tässä tapauksessa tukipiste toimii pyörimisakselina. Käänteisesti, jos kappaletta siirretään vasemmalle, kappale nostetaan vasemmalle. Jos painopiste on edelleen tukipisteen oikealla puolella, kappale voi silti palata alkuperäiseen asentoonsa.
Esimerkin 3 kaltaisissa tapauksissa kappaleet ovat edelleen vakaassa tasapainossa, jos nostamisen jälkeen kappaleen painopiste ei kulje tukipisteen kautta. Jos painopiste oikealle nostamisen jälkeen ohittaa tukipisteen, kappale liikkuu pois alkuperäisestä asennostaan. Tämä on esimerkki epävakaasta tasapainosta.
2. Epävakaa tasapaino
Tasapainotila on epästabiili, jos kappale on aluksi liikkumaton kappaleeseen vaikuttavan resultanttivoiman tai voiman resultanttimomentin vaikutuksesta. Liikkumisen jälkeen kappale ei palaa alkuperäiseen asentoonsa, vaan poispäin alkuperäisestä asennostaan.
Esimerkki 1. Aluksi liikkumaton kappale interferenssin vuoksi. Liikkumisen jälkeen kappale jatkaa liikkumistaan poispäin asemastaan. Kappale poispäin alkuperäisestä asennostaan, koska liikkumisen jälkeen painopisteen sijainti on tukipisteen oikealla puolella. Kun painopiste on tukipisteen oikealla puolella, syntyy voimamomentti, joka kääntää kappaleen pois alkuperäisestä asennostaan.
Esimerkki 2. Kohde on aluksi huipun yläpuolella.
Liikkumisen jälkeen kohde jatkaa liikkumistaan poispäin
alkuperäisestä sijainnistaan. Kappale liikkuu pois alkuperäisestä sijainnistaan painovoimakomponenttien läsnäolon vuoksi. vaakasuunta (wx).
3. Neutraali tasapaino
Neutraali tasapaino, jos esine liikkuu interferenssin vuoksi pysyy uudessa paikassaan. Esineet eivät palaa alkuperäiseen sijaintiinsa eivätkä esineet siirry pois alkuperäisestä sijainnistaan.
Esimerkki 1: Pallo lepää aluksi tasaisella alustalla ja liikkuu. Liikkumisen pysähtymisen jälkeen pallo pysyy uudessa paikassaan. Pallo ei palaa alkuperäiseen asentoonsa tai ei liiku pois alkuperäisestä asennostaan.
Yllä olevan selityksen perusteella voidaan päätellä:
Ensinnäkin, jos kappaleen painopiste on tukipisteen alapuolella, kappale on vakaassa tasapainossa. Esimerkiksi kappale roikkuu köydellä puskurin päällä.
Toiseksi, jos kappaleen painopiste on tukipisteen yläpuolella, kappaleen tasapaino on suhteellinen. Kappaleet voivat olla stabiileja, ja kappaleet voivat olla myös epästabiileja.
Kolmanneksi, esineiden tasapaino riippuu esineiden muodosta ja koosta. Leveämmät esineet ovat vakaampia kuin ei-leveät esineet.
Neljänneksi, kappaleiden tasapaino riippuu painopisteen etäisyydestä tukipisteestä.
Jos painopiste on kaukana tukipisteestä, kappale on epävakaassa tasapainossa. Kääntäen, jos painopiste on lähellä tukipistettä, tasapaino on epävakaa.
