Equilíbrio instável: conceito e exemplos - Ciência - 2023

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Na mecânica, um objeto está em equilíbrio instável quando, ao deslocá-lo ligeiramente de sua posição pela força, não retorna a ele. Por exemplo, a bola da figura a seguir, quando está no topo do monte, encontra-se em equilíbrio instável, pois ao menor distúrbio a fará rolar morro abaixo, sem possibilidade de retornar por seus próprios meios.

Em vez disso, quando a bola está em uma superfície plana, como na posição central, diz-se que está em equilíbrio indiferente ou neutro. Uma força perturbadora pode ser aplicada, movendo-a para um lado ou outro, mas se a força desaparecer, a bola se tornará estável novamente.

Finalmente, à direita, a bola está no fundo de um recipiente côncavo. Esta posição também é de equilíbrio, mas de equilíbrio estável. Uma força que perturba a bola só fará com que ela oscile um pouco em torno da posição original, para terminar retornando silenciosamente a ela.


Causas de perda de equilíbrio

Objetos comuns (e pessoas e animais) perdem o equilíbrio e caem por causa do torque causado pelo peso, a força que a Terra exerce sobre todos os objetos próximos à sua superfície. Quando você tem um corpo alongado, o ponto onde o peso atua é chamado Centro de gravidade.

O peso pode ser equilibrado graças a um suporte, como o fornecido por uma superfície, e assim o objeto não se moverá. Mas mesmo assim, ainda é possível girar em torno de algum ponto, porque em objetos estendidos o equilíbrio de forças não é o único fator para mantê-los parados, mas também o local onde essas forças são aplicadas.

Abaixo está uma figura com um lápis equilibrado na ponta, em equilíbrio instável. Qualquer corrente de ar fará com que ele tombe, mas, enquanto isso, o peso e a força de suporte normal se compensam. Além disso, as duas forças possuem a mesma linha de ação e esta passa pela ponta do lápis, garantindo o equilíbrio.


Mas se o lápis for ligeiramente inclinado, como mostrado à direita, a linha de ação do peso para de passar pela ponta, que funciona como um pivô. Então, o peso produz um torque desequilibrado e a caneta gira no sentido horário.

Fatores que garantem estabilidade

O equilíbrio estável é quase sempre buscado, uma vez que o equilíbrio instável é, como o nome indica, bastante precário. Continuando com o exemplo do lápis, uma vez que ele cai e pousa horizontalmente na superfície, a nova posição é muito mais estável do que quando estava na ponta.

Isso se deve ao fato de que, por um lado, o centro de gravidade está mais próximo da superfície e, por outro lado, a superfície de apoio do lápis é muito maior.

Quando a superfície de suporte é maior, o normal tem mais probabilidade de ser capaz de neutralizar o peso, uma vez que a superfície é exatamente o que o normal exerce. E se a distância do centro de gravidade à superfície for menor, o braço de alavanca do peso será menor e, portanto, o torque também será menor.


Em conclusão, quanto maior for a base de apoio do objeto e quanto mais próximo seu centro de gravidade do solo, menor a probabilidade de capotamento e o equilíbrio tende a ser estável. Os bebês sabem disso e é por isso que geralmente engatinham primeiro, antes de arriscar ficar em pé.

E se, em vez de estar apoiado, o corpo fica suspenso por um ponto, a localização do centro de gravidade também desempenha um papel proeminente no estabelecimento do equilíbrio, como será visto em breve nos exemplos a seguir.

Exemplos de equilíbrio

Equilíbrio em corpos apoiados

O equilíbrio em corpos apoiados depende, como dito, de:

- Quão próximo o centro de gravidade está da superfície.

-O tamanho da base do objeto.

Considere um cone em uma mesa plana. A posição mais estável sem dúvida é com a base do cone totalmente apoiada na mesa. Esta é a posição de equilíbrio estável, uma vez que o centro de gravidade do cone está no eixo de simetria e mais próximo de sua base do que da ponta.

O equilíbrio indiferente é obtido colocando o cone deitado e o equilíbrio instável corresponde ao cone na ponta, como o lápis, o que pode não ser uma tarefa fácil, pois ao menor movimento o cone vira.

Equilíbrio em corpos suspensos

É comum encontrar corpos suspensos pendurados em pelo menos um ponto, como pinturas e lâmpadas. Ao estabelecer o equilíbrio, considere a localização do centro de gravidade e o ponto de suspensão.

A situação é de fácil visualização com o auxílio de uma folha de papelão retangular ou régua de material homogêneo. Aqui, o centro de gravidade coincide com o centro geométrico da figura, assumindo que a massa do objeto é uniformemente distribuída.

Para colocar a folha em equilíbrio instável, ela é suspensa de um ponto que é por baixo do centro de gravidade, você pode até mesmo segurar o lençol levemente entre os dedos para ter liberdade de movimento.

Uma pequena força é suficiente para a lâmina girar imediatamente para um lado ou para outro. O motivo da rotação é o mesmo do objeto apoiado: o peso exerce um torque descompensado que facilita a rotação do corpo.

À medida que a folha gira, ela passa por uma posição que é de equilíbrio estável, na qual o ponto de suspensão é por cima Centro de gravidade. Em torno desta posição, ele oscila um pouco e finalmente para.

Se uma força for aplicada novamente, a lâmina oscila novamente, mas retorna novamente para aquela posição, na qual o ponto de suspensão e o centro de gravidade estão alinhados com a vertical.

Finalmente, o equilíbrio indiferente é verificado passando-se um alfinete bem no centro de gravidade. Se a folha for girada para ficar em posições diferentes, percebe-se que não haverá grande diferença entre elas.

Em conclusão, para corpos suspensos em equilíbrio instável, o ponto de suspensão está abaixo do centro de gravidade. E o oposto para equilíbrio estável.

Referências

  1. Bauer, W. 2011. Physics for Engineering and Sciences. Volume 1. Mc Graw Hill.
  2. Giancoli, D. 2006. Física: Princípios com Aplicações. 6º. Ed Prentice Hall.
  3. Hewitt, Paul. 2012. Ciência Física Conceitual. 5 ª. Ed. Pearson.
  4. Resnick, R. (1999). Fisica. Vol. 1. 3ª Ed. Em espanhol. Compañía Editorial Continental S.A. de C.V.
  5. Rex, A. 2011. Fundamentals of Physics. Pearson.
  6. Sears, Zemansky. 2016. Física Universitária com Física Moderna. 14º. Ed. Volume 1. Pearson.