균형의 유형에 관한 기사 강체
우리가 일상생활에서 접하는 모든 사물이 항상 정지해 있는 것은 아닙니다. 처음에는 정지해 있는 것처럼 보일지라도, 바람과 같은 외부 요인에 의해 움직일 수 있습니다. 문제는 물체가 움직인 후 원래 위치로 되돌아오는지 여부입니다. 이는 물체의 평형 상태에 따라 달라집니다. 움직인 후에는 다음과 같은 세 가지 가능성이 있습니다.
(1) 물체는 원래 위치로 돌아간다.
(2) 물체가 원래 위치에서 벗어나 이동한다.
(3) 물체는 새로운 위치에 그대로 남아 있습니다.
물체를 원래 위치로 되돌린 후에도 안정된 평형 상태에 있다면, 물체는 불안정한 평형 상태에 있는 것입니다. 반대로, 물체를 이동시킨 후에도 새로운 위치에 그대로 머물러 있다면, 물체는 중립적인 평형 상태에 있는 것입니다.
1. 안정된 평형
정지해 있는 물체에 힘이나 토크(합력 또는 합력 모멘트)가 작용하면 물체는 움직입니다. 물체가 움직인 후 원래 위치로 돌아오면 평형 상태라고 합니다. 움직이는 물체가 원래 위치로 돌아오는 것은 물체가 움직인 후에 발생하는 합력 또는 합력 모멘트 때문입니다.
예시 1. 물체가 완충 장치에 매달린 밧줄에 매달려 있습니다. 처음에는 물체가 정지해 있습니다. 물체가 밀리면 움직였다가 원래 위치로 돌아옵니다. 물체의 무게 중심은 물체의 중앙에 있으며, 지지점은 밧줄과 지지대 사이에 있습니다. 움직이는 물체가 원래 위치로 돌아오는 것은 수평 방향의 합력(wx) 때문입니다. 밧줄의 장력(T)과 수직 방향의 중력 성분(wy)은 크기가 같고 방향이 반대이므로 서로 상쇄됩니다.
예시 2. 계곡에 있는 물체. 처음에는 물체가 정지해 있다. 물체를 움직이면 좌우로 움직였다가 원래 위치로 돌아온다. 공이 원래 위치로 돌아오는 것은 수평 방향의 합력(wx) 때문이다. 수직 방향의 중력 성분(wy)과 수직항력(N)은 크기가 같고 방향이 반대이므로 서로 상쇄된다.
예시 3. 처음에 물체는 정지해 있다. 무게중심은 물체의 중심이고, 지지점은 평평한 지면에 닿아 있는 물체의 바닥이다. 오른쪽으로 이동하면 물체는 오른쪽으로 상승한다. 만약 무게중심의 위치가 여전히 받침점의 왼쪽에 있다면, 물체는 원래 위치로 되돌아갈 수 있다. 중력에 의해 발생하는 합력 모멘트 때문에 물체는 원래 위치로 되돌아갈 수 있다. 이 경우, 지지점은 회전축 역할을 한다. 반대로, 물체가 왼쪽으로 이동하면, 물체는 원래 위치로 되돌아갈 수 없다. 왼쪽으로 들어 올려졌습니다. 무게중심의 위치가 지지점의 오른쪽에 있다면 물체는 원래 위치로 돌아올 수 있습니다.
예시 3과 같은 경우, 물체를 들어 올린 후에도 물체의 무게중심이 지지점을 지나지 않으면 안정적인 평형 상태를 유지합니다. 만약 오른쪽으로 들어 올린 후 무게중심이 지지점을 지나가면 물체는 원래 위치에서 벗어나게 됩니다. 이는 불안정한 평형 상태의 예입니다.
2. 불안정한 평형
물체에 작용하는 합력 또는 합력 모멘트로 인해 물체가 처음에는 정지해 있는 경우, 평형 상태는 불안정합니다. 물체가 움직인 후 원래 위치로 돌아가지 않고 원래 위치에서 멀어지는 방향으로 움직입니다.
예시 1. 간섭으로 인해 처음에는 정지해 있던 물체가 움직입니다. 이 물체는 움직이기 시작한 후에도 원래 위치에서 계속 멀어집니다. 물체가 원래 위치에서 멀어지는 이유는 움직인 후 무게중심이 지지점의 오른쪽에 위치하게 되기 때문입니다. 무게중심이 지지점의 오른쪽에 위치하게 되면 합력 모멘트가 발생하여 물체를 원래 위치에서 벗어나게 회전시킵니다.
예시 2. 물체는 처음에는 봉우리 위에 있습니다.
물체가 이동된 후에도 계속해서 멀어지고 있습니다.
원래 위치에서 멀어집니다. 물체는 수평 방향(w x ) 의 중력 성분으로 인해 원래 위치에서 멀어집니다 .
3. 중립 평형
간섭으로 인해 이동한 물체가 새로운 위치에 그대로 머물러 있으면 중립 평형 상태라고 합니다. 물체는 원래 위치로 되돌아가지 않으며, 원래 위치에서 멀어지지도 않습니다.
예시 1: 공이 평평한 표면에 놓여 있다가 움직이기 시작합니다. 공이 멈춘 후에도 그 자리에 그대로 있습니다. 공은 원래 위치로 되돌아가지도 않고, 원래 위치에서 멀어지지도 않습니다.
위의 설명을 바탕으로 다음과 같은 결론을 내릴 수 있습니다.
첫째, 물체의 무게중심이 지지점 아래에 있으면 물체는 안정된 평형 상태에 있습니다. 예를 들어, 물체가 완충 장치에 매달린 밧줄에 걸려 있는 경우를 생각해 볼 수 있습니다.
둘째, 물체의 무게중심이 지지점 위에 있으면 물체의 평형은 상대적입니다. 물체는 안정적일 수도 있고 불안정할 수도 있습니다.
셋째, 물체의 평형은 물체의 모양과 크기에 따라 달라집니다. 폭이 넓은 물체가 폭이 좁은 물체보다 더 안정적입니다.
넷째, 물체의 평형은 무게중심과 지지점 사이의 거리에 따라 달라집니다.
무게중심이 지지점에서 멀리 떨어져 있으면 물체는 불안정한 평형 상태에 있다. 반대로 무게중심이 지지점에 가까우면 평형 상태는 불안정하다.
