Concept d'équilibre instable et exemples

En mécanique, un objet est dans Solde instable Quand en le déplaçant juste de sa position par force, il n'y revient pas. Par exemple, la balle de la figure suivante, lorsqu'elle est au-dessus du monticule est en équilibre instable, car la moindre perturbation le fera à l'envers, sans la possibilité de revenir par ses propres moyens.

Figure 1. La balle est en équilibre instable en position de gauche, en équilibre indifférent au centre et en équilibre stable à droite. Source: Wikimedia Commons.

D'un autre côté, lorsque la balle est sur une surface plane, comme en position du centre, il est dit qu'il est en équilibre indifférent ou neutre. Une force qui perturbe elle peut être appliquée, la déplaçant d'un autre côté, mais si la force disparaît, la balle sera à nouveau stable.

Enfin, à droite, la balle est au fond d'un bol concave. Cette position est également équilibrée, mais équilibre stable. Une force qui perturbe le ballon, ne fera que l'osciller un peu autour de la position d'origine, pour finir par y revenir.

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Causes de perte d'équilibre

Les objets courants (et les personnes et les animaux) perdent leur équilibre et tombent en raison du couple originaire du poids, la force exercée par la terre sur tous les objets près de sa surface. Lorsque vous avez un corps étendu, le point où le poids agit s'appelle centre de gravité.

Le poids peut être équilibré grâce au soutien, comme celui qui fournit une surface, et de cette façon l'objet ne bougera pas. Mais a toujours la possibilité de tourner par rapport à un certain point, car dans les objets étendus, l'équilibre des forces n'est pas le seul facteur à les garder immobiles, mais aussi à l'endroit où ces forces sont appliquées.

Ci-dessous, il y a une silhouette avec un crayon équilibré sur sa pointe, dans un équilibre instable. Tout courant d'air va le révéler, mais en attendant, le poids et la force normaux qui se soutiennent sont compensés. De plus, les deux forces ont la même ligne d'action et cela passe par la pointe du crayon, garantissant l'équilibre.

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Mais si le crayon se penche un peu, comme indiqué à droite, la ligne d'action du poids cesse de passer par la pointe, qui agit comme un pivot. Ensuite, le poids produit un couple non équilibré et le crayon tourne dans la direction des mains de l'horloge.

Figure 2. Le crayon soutenu sur sa pointe est en équilibre instable, une petite perturbation entraînera un couple par rapport à la pointe et le crayon tombera. Source: F. Zapata.

Facteurs qui garantissent la stabilité

Presque toujours ce qui est recherché, c'est l'équilibre stable, car l'équilibre instable est, comme son nom l'indique, assez précaire. Poursuivant avec l'exemple du crayon, une fois qu'il tombe et reste horizontalement à la surface, la nouvelle position est beaucoup plus stable que lorsqu'elle a été arrêtée sur la pointe.

En effet,, d'une part, le centre de gravité est plus proche de la surface et d'autre part, la surface de support du crayon est beaucoup plus grande.

Lorsque la surface de support est lar. Et si la distance entre le centre de gravité à la surface est plus faible, le bras de levier de poids est inférieur, et donc le couple est également.

En conclusion, plus la base du soutien de l'objet est grande et se rapproche de son centre de gravité au sol, moins la probabilité de renversement et l'équilibre ont tendance à être stables. Les bébés le savent et c'est pourquoi ils se cassent généralement avant de risquer debout.

Et si au lieu d'être soutenu, le corps est suspendu à un point, l'emplacement du centre de gravité a également un rôle de premier plan lors de l'établissement de l'équilibre, comme on le verra sous peu dans les exemples suivants.

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Exemples d'équilibre

Équilibre dans les corps soutenus

L'équilibre dans les corps supportés dépend, comme indiqué, sur:

-À quel point le centre de gravité de la surface.

-La taille de la base d'objet.

Considérez un cône sur une table plate. La position la plus stable est sans aucun doute avec la base du cône entièrement prise en charge sur la table. Il s'agit de la position d'équilibre stable, car le centre de gravité du cône est sur l'axe de symétrie et plus proche de sa base que de la pointe.

L'équilibre indifférent est obtenu en plaçant le cône mensonge et l'équilibre instable correspond au cône à sa pointe, comme le crayon, qui pourrait ne pas être une tâche facile, étant donné que le plus petit mouvement du cône tourne.

figure 3. Équilibre stable, indifférent et instable d'un cône soutenu sur une table. Source: F. Zapata.

Équilibre dans les corps suspendus

Il est courant de trouver des corps en suspension qui pendent au moins un point, comme les peintures et les lampes. Lors de l'établissement de l'équilibre, il est nécessaire de considérer l'emplacement du centre de gravité et celui du point de suspension.

La situation est facile à visualiser à l'aide d'une feuille de carton rectangulaire ou d'une règle de matériel homogène. Ici, le centre de gravité coïncide avec le centre géométrique de la figure, qui en supposant que la masse de l'objet est distribuée uniformément.

Pour placer la feuille dans un équilibre instable, il est suspendu à un point trouvé sous Du centre de gravité, il tient même la feuille entre les doigts sans trop se resserrer, pour le laisser la liberté de mouvement.

Une petite force suffit pour que la feuille tourne immédiatement dans un sens ou un autre. La raison du virage est la même que dans le cas de l'objet supporté: le poids exerce un couple non compromis qui facilite la rotation du corps.

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Lors du tour, la feuille passe par une position d'équilibre stable, dans laquelle le point de suspension reste par en haut du centre de gravité. Autour de cette position, il va un peu et s'arrête enfin.

Si une force est à nouveau appliquée, la lame va à nouveau mais revient à cette position, dans laquelle le point de suspension et le centre de gravité sont alignés sur la verticale.

Enfin, l'équilibre indifférent est vérifié en passant une broche précisément à travers le centre de gravité. Si la feuille est tournée pour rester dans des positions différentes, on voit qu'il n'y aura pas de plus grande différence entre eux.

En conclusion, pour les corps suspendus en équilibre instable, le point de suspension est en dessous du centre de gravité. Et le contraire pour un équilibre stable.

Les références

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