ประเภทของสมดุลของวัตถุแข็งเกร็ง

บทความเกี่ยวกับประเภทของสมดุล ร่างกายแข็งเกร็ง

ไม่ใช่ว่าสิ่งของทุกอย่างที่เราพบเห็นในชีวิตประจำวันจะหยุดนิ่งเสมอไป บางทีในตอนแรกวัตถุอาจหยุดนิ่ง แต่ถ้ามันถูกเคลื่อนย้าย (เช่น โดยลม) วัตถุนั้นก็อาจเคลื่อนที่ได้ ปัญหาคือ หลังจากเคลื่อนที่แล้ว วัตถุนั้นจะกลับคืนสู่ตำแหน่งเดิมหรือไม่ คำตอบขึ้นอยู่กับสมดุลของวัตถุ หลังจากเคลื่อนที่แล้ว จะมีสามความเป็นไปได้ ได้แก่:

(1) วัตถุกลับคืนสู่ตำแหน่งเดิม

(2) วัตถุเคลื่อนที่ออกจากตำแหน่งเดิม

(3) วัตถุยังคงอยู่ในตำแหน่งใหม่

ถ้าหลังจากเคลื่อนย้ายวัตถุกลับไปยังตำแหน่งเดิมแล้ว วัตถุนั้นอยู่ในภาวะสมดุลที่มั่นคง แต่ถ้าหลังจากเคลื่อนย้ายแล้ว วัตถุเคลื่อนที่ไปไกลกว่าเดิม แสดงว่าวัตถุนั้นอยู่ในภาวะสมดุลที่ไม่มั่นคง ในทางกลับกัน ถ้าหลังจากเคลื่อนย้ายแล้ว วัตถุยังคงอยู่ในตำแหน่งใหม่ แสดงว่าวัตถุนั้นอยู่ในภาวะสมดุลที่เป็นกลาง

1. สมดุลที่มั่นคง

วัตถุที่อยู่นิ่งในตอนแรก หากมีแรงหรือแรงบิด (มีแรงลัพธ์หรือโมเมนต์ลัพธ์) กระทำต่อวัตถุนั้น วัตถุจะเคลื่อนที่ สมดุลจะเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่อหลังจากเคลื่อนที่แล้ว วัตถุกลับคืนสู่ตำแหน่งเดิม วัตถุที่เคลื่อนที่กลับคืนสู่ตำแหน่งเดิมเนื่องจากแรงลัพธ์หรือโมเมนต์ลัพธ์ที่ปรากฏขึ้นหลังจากวัตถุเคลื่อนที่

ตัวอย่างที่ 1. วัตถุชิ้นหนึ่งถูกแขวนด้วยเชือกไว้กับตัวรองรับ ในตอนแรก วัตถุอยู่ในสภาพหยุดนิ่ง หลังจากถูกผลัก วัตถุจะเคลื่อนที่และกลับสู่ตำแหน่งเดิม น้ำหนักของวัตถุอยู่ที่จุดศูนย์กลางของวัตถุ ในขณะที่จุดรองรับอยู่ระหว่างเชือกกับตัวรองรับ วัตถุที่เคลื่อนที่กลับสู่ตำแหน่งเดิมเนื่องจากแรงโน้มถ่วงลัพธ์ในทิศทางแนวนอน (wx) แรงดึงของเชือก (T) และส่วนประกอบของแรงโน้มถ่วงในทิศทางแนวตั้ง (wy) จะหักล้างกัน เนื่องจากแรงทั้งสองนี้มีขนาดเท่ากันแต่ทิศทางตรงกันข้าม

ตัวอย่างที่ 2 วัตถุอยู่ในหุบเขา ในตอนแรกวัตถุอยู่นิ่ง หลังจากถูกเคลื่อนย้าย วัตถุจะเคลื่อนที่ไปทางขวาและซ้าย จากนั้นจึงกลับมายังตำแหน่งเดิม ลูกบอลเคลื่อนที่กลับมายังตำแหน่งเดิมเนื่องจากแรงโน้มถ่วงลัพธ์ในทิศทางแนวนอน (wx) ส่วนประกอบของแรงโน้มถ่วงในทิศทางแนวตั้ง (wy) และแรงปฏิกิริยาตั้งฉาก (N) จะหักล้างกันเนื่องจากแรงทั้งสองมีขนาดเท่ากัน แต่ทิศทางตรงกันข้าม

ตัวอย่างที่ 3. ในตอนแรก วัตถุอยู่นิ่ง จุดศูนย์ถ่วงอยู่ที่กึ่งกลางของวัตถุ และจุดรองรับอยู่ที่ฐานของวัตถุสัมผัสกับระนาบเรียบ หลังจากเคลื่อนที่ไปทางขวา วัตถุจะลอยขึ้นไปทางขวา ถ้าตำแหน่งของจุดศูนย์ถ่วงยังคงอยู่ทางซ้ายของจุดหมุน วัตถุก็ยังสามารถกลับไปยังตำแหน่งเดิมได้ วัตถุสามารถเคลื่อนที่กลับไปยังตำแหน่งเดิมได้เนื่องจากโมเมนต์ลัพธ์ของแรงโน้มถ่วง ในกรณีนี้ จุดรองรับทำหน้าที่เป็นแกนหมุน ในทางกลับกัน ถ้าวัตถุถูกเคลื่อนไปทางซ้าย วัตถุก็จะ... ยกขึ้นไปทางซ้าย หากจุดศูนย์ถ่วงยังคงอยู่ทางด้านขวาของจุดรองรับ วัตถุยังสามารถกลับสู่ตำแหน่งเดิมได้

สำหรับกรณีตัวอย่างที่ 3 วัตถุจะยังคงอยู่ในสมดุลที่มั่นคงหากหลังจากยกขึ้นแล้ว จุดศูนย์ถ่วงของวัตถุไม่ผ่านจุดรองรับ แต่ถ้าหลังจากยกขึ้นไปทางขวาแล้ว จุดศูนย์ถ่วงผ่านจุดรองรับ วัตถุจะเคลื่อนที่ออกจากตำแหน่งเดิม นี่คือตัวอย่างของสมดุลที่ไม่มั่นคง

2. สมดุลไม่เสถียร

สมดุลจะไม่เสถียรหากวัตถุอยู่นิ่งในตอนเริ่มต้นเนื่องจากแรงลัพธ์หรือโมเมนต์ลัพธ์ที่กระทำต่อวัตถุ หลังจากเคลื่อนที่แล้ว วัตถุจะไม่กลับไปยังตำแหน่งเดิม แต่จะเคลื่อนที่ออกไปจากตำแหน่งเดิม

ตัวอย่างที่ 1. วัตถุที่อยู่นิ่งในตอนแรกเนื่องจากการรบกวน หลังจากเคลื่อนที่แล้ว วัตถุยังคงเคลื่อนที่ออกห่างจากตำแหน่งเดิม วัตถุเคลื่อนที่ออกห่างจากตำแหน่งเดิมเพราะหลังจากเคลื่อนที่แล้ว จุดศูนย์กลางมวลจะอยู่ทางด้านขวาของจุดรองรับ เมื่อจุดศูนย์กลางมวลอยู่ทางด้านขวาของจุดรองรับ โมเมนต์ลัพธ์จะเกิดขึ้น ซึ่งทำให้วัตถุเคลื่อนที่ออกห่างจากตำแหน่งเดิม

ตัวอย่างที่ 2. ในตอนแรกวัตถุอยู่เหนือจุดสูงสุด

หลังจากถูกเคลื่อนย้ายแล้ว วัตถุนั้นก็ยังคงเคลื่อนที่ออกไปอีก

จากตำแหน่งเดิม วัตถุเคลื่อนที่ออกจากตำแหน่งเดิมเนื่องจากมีส่วนประกอบของแรงโน้มถ่วงในทิศทางแนวนอน (w _x )

3. สมดุลที่เป็นกลาง

สมดุลที่เป็นกลาง คือสภาวะที่วัตถุยังคงอยู่ในตำแหน่งใหม่หลังจากเคลื่อนที่เนื่องจากการรบกวนวัตถุไม่เคลื่อนที่กลับไปยังตำแหน่งเดิม และไม่เคลื่อนที่ออกจากตำแหน่งเดิม

ตัวอย่างที่ 1: ลูกบอลวางนิ่งอยู่บนพื้นผิวเรียบในตอนแรก และกำลังเคลื่อนที่ หลังจากหยุดเคลื่อนที่แล้ว ลูกบอลจะคงอยู่ที่ตำแหน่งใหม่นั้น ลูกบอลไม่เคลื่อนที่กลับไปยังตำแหน่งเดิม หรือไม่เคลื่อนที่ออกไปจากตำแหน่งเดิม

จากคำอธิบายข้างต้น สามารถสรุปได้ว่า:

ประการแรก หากจุดศูนย์ถ่วงของวัตถุอยู่ต่ำกว่าจุดรองรับ วัตถุนั้นจะอยู่ในสภาวะสมดุลที่มั่นคง ตัวอย่างเช่น วัตถุที่แขวนด้วยเชือกบนแท่นรองรับ

ประการที่สอง หากจุดศูนย์ถ่วงของวัตถุอยู่เหนือจุดรองรับ สมดุลของวัตถุนั้นจะเป็นแบบสัมพัทธ์ วัตถุอาจอยู่ในสภาวะเสถียร หรืออาจไม่เสถียรก็ได้

ประการที่สาม สมดุลของวัตถุขึ้นอยู่กับรูปร่างและขนาดของวัตถุ วัตถุที่กว้างกว่าจะมีเสถียรภาพมากกว่าวัตถุที่แคบกว่า

ประการที่สี่ สมดุลของวัตถุขึ้นอยู่กับระยะห่างของจุดศูนย์กลางมวลจากจุดรองรับ

ถ้าจุดศูนย์ถ่วงอยู่ห่างจากจุดรองรับมาก สมดุลของวัตถุจะไม่เสถียร ในทางกลับกัน ถ้าจุดศูนย์ถ่วงอยู่ใกล้จุดรองรับมาก สมดุลก็จะไม่เสถียรเช่นกัน