Bài viết về các loại trạng thái cân bằng của cơ thể cứng nhắc
Không phải tất cả mọi vật chúng ta gặp trong cuộc sống hàng ngày đều luôn ở trạng thái nghỉ. Có thể ban đầu vật thể ở trạng thái nghỉ, nhưng nếu bị di chuyển (ví dụ như do gió), vật thể có thể di chuyển. Vấn đề là liệu sau khi di chuyển, vật thể có trở lại vị trí ban đầu hay không. Điều này phụ thuộc vào loại cân bằng của vật thể. Sau khi di chuyển, sẽ có ba khả năng, đó là:
(1) vật thể trở về vị trí ban đầu của nó,
(2) vật thể di chuyển ra khỏi vị trí ban đầu của nó,
(3) vật thể vẫn ở vị trí mới của nó.
Nếu sau khi di chuyển vật trở lại vị trí ban đầu, vật ở trạng thái cân bằng ổn định. Nếu sau khi di chuyển, vật di chuyển xa hơn nữa, thì vật ở trạng thái cân bằng không ổn định. Ngược lại, nếu sau khi di chuyển, vật vẫn giữ nguyên vị trí mới, thì vật ở trạng thái cân bằng trung tính.
1. Sự cân bằng ổn định
Một vật ban đầu ở trạng thái nghỉ, nếu có lực hoặc mômen tác dụng lên nó (lực tổng hợp hoặc mômen tổng hợp) thì vật đó sẽ chuyển động. Trạng thái cân bằng được gọi là ổn định nếu sau khi chuyển động, vật trở lại vị trí ban đầu. Các vật chuyển động trở lại vị trí ban đầu là do lực tổng hợp hoặc mômen tổng hợp xuất hiện sau khi vật chuyển động.
Ví dụ 1. Một vật được treo bằng dây thừng vào một điểm tựa. Ban đầu, vật ở trạng thái nghỉ. Sau khi bị đẩy, vật chuyển động và sau đó trở lại vị trí ban đầu. Trọng lượng của vật nằm ở tâm vật, trong khi điểm tựa nằm giữa dây thừng và điểm tựa. Các vật chuyển động trở lại vị trí ban đầu do trọng lực tổng hợp theo phương ngang (wx). Lực căng dây (T) và thành phần trọng lực theo phương thẳng đứng (wy) triệt tiêu lẫn nhau vì hai lực này có cùng độ lớn nhưng ngược hướng.
Ví dụ 2. Vật thể trong thung lũng. Ban đầu, vật thể đứng yên. Sau khi được di chuyển, vật thể di chuyển sang phải và sang trái, sau đó trở lại vị trí ban đầu. Vật thể di chuyển trở lại vị trí ban đầu là do trọng lực tổng hợp theo phương ngang (wx). Thành phần trọng lực theo phương thẳng đứng (wy) và lực pháp tuyến (N) triệt tiêu lẫn nhau vì hai lực có cùng độ lớn nhưng hướng ngược nhau.
Ví dụ 3. Ban đầu, vật ở trạng thái nghỉ. Tâm trọng lực là tâm của vật, và điểm tựa nằm ở đáy vật tiếp xúc với mặt phẳng. Sau khi di chuyển sang phải, vật sẽ nâng lên sang phải. Nếu vị trí của tâm trọng lực vẫn nằm bên trái điểm tựa, thì vật vẫn có thể quay trở lại vị trí ban đầu. Vật có thể quay trở lại vị trí ban đầu nhờ mômen lực tổng hợp do trọng lực tạo ra. Trong trường hợp này, điểm tựa đóng vai trò là trục quay. Ngược lại, nếu vật được di chuyển sang trái, thì vật sẽ... Được nâng lên bên trái. Nếu vị trí trọng tâm vẫn nằm bên phải điểm tựa, vật thể vẫn có thể quay trở lại vị trí ban đầu.
Đối với các trường hợp như ví dụ 3, vật thể vẫn ở trạng thái cân bằng ổn định nếu sau khi được nâng lên, trọng tâm của vật thể không đi qua điểm đỡ. Nếu sau khi được nâng lên bên phải, trọng tâm vượt qua điểm đỡ, vật thể sẽ di chuyển ra khỏi vị trí ban đầu. Đây là một ví dụ về trạng thái cân bằng không ổn định.
2. Trạng thái cân bằng không ổn định
Trạng thái cân bằng không ổn định nếu vật ban đầu đứng yên do lực tổng hợp hoặc mômen lực tổng hợp tác dụng lên vật. Sau khi chuyển động, vật không trở lại vị trí ban đầu mà di chuyển ra xa vị trí ban đầu.
Ví dụ 1. Một vật ban đầu đứng yên do lực ma sát. Sau khi chuyển động, vật tiếp tục di chuyển ra xa vị trí ban đầu. Vật di chuyển ra xa vị trí ban đầu vì sau khi chuyển động, trọng tâm nằm ở bên phải điểm tựa. Khi trọng tâm nằm ở bên phải điểm tựa, mômen lực tổng hợp xuất hiện, làm cho vật quay ra xa vị trí ban đầu.
Ví dụ 2. Ban đầu vật thể nằm phía trên đỉnh.
Sau khi được di chuyển, vật thể tiếp tục di chuyển ra xa.
từ vị trí ban đầu. Vật thể di chuyển ra khỏi vị trí ban đầu do sự hiện diện của các thành phần trọng lực theo hướng ngang (w x ).
3. Cân bằng trung tính
Trạng thái cân bằng trung tính là khi sau khi di chuyển do tác động của lực cản, vật thể vẫn giữ nguyên vị trí mới. Vật thể không di chuyển trở lại vị trí ban đầu và cũng không di chuyển ra xa vị trí ban đầu.
Ví dụ 1: Một quả bóng ban đầu nằm yên trên một mặt phẳng, sau đó đang chuyển động. Sau khi dừng lại, quả bóng vẫn ở vị trí mới. Quả bóng không di chuyển trở lại vị trí ban đầu hoặc không di chuyển ra xa vị trí ban đầu.
Dựa trên những giải thích trên, có thể kết luận rằng:
Thứ nhất, nếu trọng tâm của vật nằm dưới điểm tựa, vật ở trạng thái cân bằng ổn định. Ví dụ, một vật được treo bằng dây thừng trên một điểm tựa.
Thứ hai, nếu trọng tâm của một vật nằm phía trên điểm tựa, thì trạng thái cân bằng của vật đó là tương đối. Vật có thể ổn định, vật cũng có thể không ổn định.
Thứ ba, trạng thái cân bằng của các vật thể phụ thuộc vào hình dạng và kích thước của chúng. Các vật thể rộng hơn sẽ ổn định hơn các vật thể hẹp hơn.
Thứ tư, sự cân bằng của các vật thể phụ thuộc vào khoảng cách từ tâm trọng lực đến điểm tựa.
Nếu trọng tâm nằm xa điểm tựa, thì vật thể ở trạng thái cân bằng không ổn định. Ngược lại, nếu trọng tâm nằm gần điểm tựa, thì trạng thái cân bằng đó không ổn định.
