Что такое равновесие тел?

Пусть прямоугольный кусок картона, имеющий форму игральной карты, может свободно вращаться на горизонтальной оси, проходящей через точку пересечения диагоналей, т. е. через центр тяжести карты (рис. 20).

Рис. 20. Безразличное равновесие

Если, вращая карту, ставить ее в различные положения, то карта каждый раз (безразлично, в какие бы положения мы ее ни ставили) будет оставаться в равновесии. Такое равновесие называется безразличным равновесием. Карта в любом положении остается в равновесии по той причине, что ее центр тяжести совпадает с точкой опоры (осью вращения) и, следовательно, сила тяжести уравновешивается сопротивлением точки опоры.

Примером безразличного равновесия может служить хорошо уравновешенное колесо, вращающееся на горизонтальной оси (например велосипедное): при любом положении колесо остается в равновесии.

Пусть теперь ось вращения проходит не через центр тяжести карты, а выше его - в какой-нибудь точке А (рис. 21). Если поставить карту в положение, показанное тонкими линиями, то она не останется в этом положении, а повернется и займет такое положение, при котором центр тяжести окажется ниже точки опоры и на одной с ней вертикали. И как бы мы ни ставили карту, она обязательно вернется в это положение.

Рис. 21. Устойчивое равновесие

Такое равновесие называется устойчивым равновесием. Под действием какой силы карта сохраняет устойчивое равновесие? Разложим силу тяжести G по правилу параллелограмма на две составляющих: по направлению, проходящему через точку опоры и перпендикулярному ему; получим силы G₁ и G₂.

Сила G₁ будет уравновешиваться сопротивлением точки опоры, под действием же силы G₂ карта вернется в положение устойчивого равновесия.

Если карту поставить в такое положение, чтобы центр тяжести оказался выше точки опоры и на одной с ней вертикали (рис. 22), то карта может остаться в этом положении, но это будет неустойчивое равновесие; достаточно будет малейшего отклонения карты в ту или другую сторону, как она под действием силы G₂ повернется и займет положение устойчивого равновесия.

Рис. 22. Неустойчивое равновесие

Мы разобрали равновесие тела, имеющего одну точку опоры. Если же тело опирается о поверхность несколькими точками (рис. 23) или целой плоскостью, то оно будет сохранять равновесие лишь в том случае, когда направление силы тяжести будет проходить внутри контура, проведенного через крайние точки, на которые опирается тело. Чем больше расстояние между этим контуром и направлением силы тяжести, тем больше будет устойчивость тела.

Рис. 23. Равновесие тела, опирающихся на поверхность несколькими точками

Заметим, что произведение веса тела на расстояние между направлением силы тяжести и точкой опоры называется моментом устойчивости (рис. 24). Момент устойчивости не является постоянной величиной: чем больше отклонение тела от положения устойчивого равновесия, тем меньше будет момент устойчивости.

Рис. 24. Момент устойчивости тела

Рис. 25. Для увеличения момента устойчивости самолета (на земле) шасси делается наивозможно широким

Для увеличения момента устойчивости плоскость, которой опирается тело, делают наивозможно большей, а если тело опирается несколькими точками, то эти точки опоры расставляют как можно дальше друг от друга (рис. 25).