Describa tres estados de equilibrio
Si una estructura es empujada fuera del equilibrio decimos que ha sido desplazada del equilibrio. Si el objeto tiende a volver a su posición de equilibrio, entonces debe estar en una región de equilibrio estable y la fuerza que lo empujó hacia atrás es una fuerza restauradora.
Cuando tu brazo cuelga de tu hombro, está en equilibrio estable. Si se levanta el brazo hacia un lado y se suelta, volverá a caer a la posición de colgado. El brazo colgante es una posición estable porque el centro de gravedad del brazo está situado por debajo de la base de apoyo, en este caso el hombro. Cuando se desplaza (se levanta un poco), la fuerza de gravedad que actúa sobre el brazo provocará un par de torsión que hará que el brazo vuelva a bajar a la posición de colgado. En estos casos, cuando un objeto se desplaza de la posición de equilibrio y las fuerzas netas resultantes (o los pares que provocan) hacen que el objeto vuelva a la posición de equilibrio, estas fuerzas se denominan fuerzas restauradoras. El perezoso aprovecha el equilibrio estable para ahorrar la energía que los humanos gastan en mantenerse erguidos. Si el perezoso se desplaza en cualquier dirección, la fuerza de la gravedad actúa automáticamente como fuerza restauradora y devuelve la ranura a su posición de equilibrio.
Física de equilibrio estable
Una cosa es que un sistema esté en equilibrio y otra que sea estable. El muñeco de juguete posado en la mano del hombre de la figura 1, por ejemplo, no está en equilibrio estable. Hay tres tipos de equilibrio: estable, inestable y neutro. Las figuras de este módulo ilustran varios ejemplos.
La figura 1 presenta un sistema equilibrado, como el muñeco de juguete en la mano del hombre, que tiene su centro de gravedad (cg) directamente sobre el pivote, de modo que el par del peso total es cero. Esto equivale a tener los pares de las partes individuales equilibrados alrededor del punto de pivote, en este caso la mano. Los cgs de los brazos, las piernas, la cabeza y el torso están etiquetados con un tipo más pequeño.
Se dice que un sistema está en equilibrio estable si, cuando se desplaza del equilibrio, experimenta una fuerza neta o un par de torsión en una dirección opuesta a la del desplazamiento. Por ejemplo, una canica en el fondo de un cuenco experimentará una fuerza de restauración cuando se desplace de su posición de equilibrio. Esta fuerza la hace volver a la posición de equilibrio. La mayoría de los sistemas se encuentran en equilibrio estable, especialmente para pequeños desplazamientos. Otro ejemplo de equilibrio estable es el lápiz de la figura 2.
Factores que afectan a la estabilidad de un cuerpo en física
Se considera que un equilibrio es estable (para simplificar consideraremos sólo la estabilidad asintótica) si el sistema siempre vuelve a él después de pequeñas perturbaciones. Si el sistema se aleja del equilibrio tras pequeñas perturbaciones, entonces el equilibrio es inestable.
La noción de estabilidad puede aplicarse a otros tipos de atractores (ciclo límite, caos), pero la definición general es más compleja que la de los equilibrios. La estabilidad es probablemente la noción más importante en la ciencia porque se refiere a lo que llamamos “realidad”. Todo debe ser estable para ser observable. Por ejemplo, en la mecánica cuántica, los niveles de energía son los que son estables porque los niveles inestables no se pueden observar.
Si 0 < N < K, entonces dN/dt > 0 y, por tanto, la población crece (el punto de la gráfica se mueve hacia la derecha). Si N < 0 o N > K (por supuesto, N < 0 no tiene ningún sentido biológico), entonces la población disminuye (el punto del gráfico se desplaza hacia la izquierda). Las flechas muestran que el equilibrio N=0 es inestable, mientras que el equilibrio N=K es estable. Desde el punto de vista biológico, esto significa que después de una pequeña desviación de los números de la población respecto a N=0 (por ejemplo, la inmigración de un pequeño número de organismos), la población nunca vuelve a este equilibrio. Por el contrario, el número de la población aumenta hasta alcanzar el equilibrio estable N=K. Después de cualquier desviación de N=K, la población vuelve a este equilibrio estable.
Estabilidad y equilibrio
La fuerza de la gravedad tiende normalmente a atraer todos los cuerpos hacia el centro de la tierra. El punto de aplicación de la fuerza resultante de la atracción gravitatoria de la tierra se denomina centro de gravedad del cuerpo. Es el punto en el que se concentra todo el peso del cuerpo.
La estabilidad se refiere al estado de reposo de un cuerpo, mientras que el equilibrio es el estado de balance de un cuerpo. Cuando un cuerpo está en equilibrio, permanece en esa posición mientras no haya ninguna influencia externa sobre él.
Cuando el cono recibe un ligero desplazamiento, como se muestra en la figura i, se observa que la línea que pasa por su centro de gravedad sigue pasando por la superficie de la base. El centro de gravedad del cono también se eleva. Cuando se retira la fuerza, el objeto vuelve a su posición original sin volcar. Se dice que el cuerpo tiene un equilibrio estable.
En la fig. ii, el cono se ha equilibrado sobre su punta. Cuando se desplaza ligeramente, la línea vertical que pasa por su centro de gravedad cae fuera de su base, como se muestra arriba. Cuando se retira la fuerza, el cono no podrá recuperar su posición original, por lo que se dice que está en equilibrio inestable.
