Bryła sztywna · Środek ciężkości i energia potencjalna bryły sztywnej
Środek ciężkości, energia potencjalna i rodzaje równowagi
Środek masy i środek ciężkości
Bryła sztywna to model ciała, którego kształt się nie zmienia. Środek masy (SM) jest średnim położeniem jego masy: , gdzie . Środek ciężkości to punkt przyłożenia wypadkowej siły grawitacji. W jednorodnym polu grawitacyjnym oba punkty się pokrywają. Dla jednorodnych, symetrycznych ciał środek masy leży w ich geometrycznym środku.
Energia potencjalna bryły
W jednorodnym polu grawitacyjnym energia potencjalna bryły wynosi . to masa, — przyspieszenie grawitacyjne, a — wysokość środka masy nad wybranym poziomem. Powolne podniesienie bryły zwiększa jej energię o .
Energia potencjalna bryły
Dla jednorodnego pręta długości , obracającego się wokół osi na jednym końcu, środek masy znajduje się w odległości od osi. Gdy pręt odchyla się o kąt od pionu skierowanego w dół, jego wysokość względem najniższego położenia wynosi , a .
Rodzaje równowagi
Równowaga statyczna wymaga i . Równowaga trwała odpowiada minimum energii potencjalnej, chwiejna — maksimum, a obojętna — stałej energii przy małym przesunięciu.
Stateczność i podparcie
Na poziomym podłożu bryła jest stabilna, gdy pionowy rzut jej środka ciężkości pada wewnątrz pola podparcia. Gdy rzut wychodzi poza krawędź, ciężar może obracać bryłę wokół tej krawędzi. Inne siły lub przyspieszenie podłoża zmieniają warunek równowagi.
Najważniejsze zasady
Do energii potencjalnej podstawiaj zmianę wysokości środka masy, nie całej bryły. Przy ocenie stateczności rozróżniaj minimum, maksimum i stałą energię. Moment licz względem krawędzi, wokół której bryła może się obracać.
Najważniejsze zasady
Przy zmianie położenia bryły policz, o ile przesuwa się jej środek masy w pionie. To ta zmiana wyznacza .
Najważniejsze zasady
Małe wychylenie z minimum energii sprzyja powrotowi do równowagi; wychylenie z maksimum oddala bryłę od równowagi. Przy stałej energii położenie jest obojętne w rozważanym zakresie.