Equilibrio estable: concepto y ejemplos
En física, un objeto se encuentra en equilibrio estable cuando al desplazarlo ligeramente de su posición, regresa a ella de inmediato. Se puede visualizar esto imaginando una canica en el fondo de un recipiente cóncavo: con un pequeño toque, la canica oscila brevemente alrededor del punto más bajo y luego queda en reposo.
Cuando la canica está en el fondo del recipiente su energía potencial gravitatoria es mínima, por eso dicho punto es un punto de equilibrio estable para ella.
El equilibrio estable es importante para los seres vivos y las estructuras, por eso es importante conocer de qué depende y cómo mantenerlo.
Al caminar y ejecutar movimientos, las personas y los animales naturalmente mantienen el equilibrio. De no lograrlo el resultado es una caída. Al practicar deporte, el equilibrio estable es vital para desarrollar la actividad, como por ejemplo jugando al fútbol y correr con la pelota evitando que el contrario se la lleve.
La estabilidad es tan importante en la naturaleza, que las personas y los animales poseen sentidos que les permiten conocer la posición de su cuerpo en todo momento: la propiocepción. En el oído interno se encuentran numerosos receptores que en todo momento transmiten al cerebro información de la posición.
Asimismo, los ingenieros y constructores emplean los principios de la estabilidad para construir estructuras capaces de permanecer en el tiempo y seguras para los usuarios. La experiencia y el estudio de la mecánica, llevan a establecer las siguientes condiciones para asegurar el equilibrio estable de las cosas:
Equilibrio estable en cuerpos apoyados
Para que un cuerpo se mantenga en equilibrio estable cuando está apoyado, debe cumplir con:
-El cuerpo debe tener la mayor superficie de apoyo posible. Esta zona de apoyo está delimitada por todos los posibles ejes respecto a los cuales el objeto podría girar, volcando bajo la acción de fuerzas externas.
-El centro de gravedad debe estar en la posición más baja posible.
El centro de masa y la superficie de apoyo
El equilibrio estable de un cuerpo, animado o no, depende de la ubicación de su centro de masas, un punto muy especial donde se concentra toda su masa. Estando en la Tierra, el centro de masa coincide con el centro de gravedad, que es el punto del cuerpo donde se considera aplicado el peso.
Y es que el peso es una de las fuerzas más importantes a tomar en cuenta en la búsqueda del equilibrio, ya que según como actúe, puede provocar un torque o momento que haga girar al cuerpo.
No necesariamente el centro de masa contiene masa. En una persona de pie o acostada, el centro de masa está en el interior del cuerpo. Pero al flexionarse para tocarse los dedos de los pies sin doblar las rodillas, el centro de masa queda por fuera.
El otro elemento primordial para mantener el equilibrio estable de un objeto es la base de sustentación o superficie de apoyo. Por experiencia se reconoce que los objetos con superficies de apoyo amplias son más estables que aquellos con superficies de apoyo más pequeñas.
Para asegurarse de que un objeto se encuentre en equilibrio estable, la línea perpendicular que une el centro de masa con la superficie del suelo tiene que pasar por la base de sustentación. Si esta línea cae fuera de dicha base, el objeto volcará.
Ejemplos de equilibrio estable
Para asegurar el equilibrio estable de un objeto apoyado se siguen estas estrategias:
-Bajar el centro de gravedad del objeto, ya que cuanto más cerca del suelo se encuentre, mayor será la estabilidad. Esto se puede lograr haciendo que la parte inferior del cuerpo sea más masiva.
-Aumentar el área en contacto con el suelo.
El ángulo límite
En la siguiente figura se tiene un bloque rectangular hecho de material homogéneo apoyado sobre una superficie horizontal. El centro de gravedad coincide con el centro geométrico del bloque.
En la imagen izquierda, el bloque está en equilibrio estable, ya que la línea perpendicular que une el centro de gravedad con el piso pasa por la superficie de apoyo, que es la base del bloque.
En la figura de la derecha el bloque está inclinado un ángulo θ, de tal manera que la línea perpendicular que pasa por el centro de gravedad cae justamente sobre la arista del bloque. Cuando se supera el valor de este ángulo, el bloque se vuelca hacia la derecha.
De la figura se advierte que:
En caso de volcar, el bloque quedaría con un centro de gravedad más bajo, ya que a es menor que b, y por lo tanto, su posición sería más estable, además de quedar apoyado sobre una superficie mayor.
Situaciones de equilibrio estable
A continuación se describen situaciones comunes en las que participa el equilibrio estable, no solo de cuerpos apoyados:
Cuadros colgados en la pared
Los cuadros que penden de las paredes están en equilibrio estable, sin considerar fuerzas de roce, sino solamente el peso.
Deportes
Cuando un futbolista corre tras la pelota o trata de impedir que se la quite un jugador rival, tiene que arreglárselas para mantener el equilibrio estable.
El equilibrio estable también es muy necesario al montar bicicleta o andar en moto.
Calzado
Es sabido que los zapatos con tacón de aguja no son tan estables como los de tacón ancho, porque estos tienen una mayor superficie de apoyo que los primeros.
Flexiones
Cuando una persona se toca los dedos de los pies con las manos, sin doblar las rodillas, el centro de masas queda fuera del cuerpo. Sin embargo la persona se mantiene en equilibrio estable, porque la línea perpendicular que conecta al centro de masas con el suelo pasa por el área delimitada por los pies.
En cambio, si la persona intenta tocarse los dedos de los pies, pero manteniendo la espalda y las piernas pegadas a la pared, verá que no puede hacerlo sin perder el equilibrio, porque la perpendicular que une al centro de masas con el piso no pasa por el área que limitan los pies.
Viajar en el metro
Para mantener el equilibrio al viajar de pie en un autobús o en el vagón del tren, las personas de inmediato separan los pies. De esta manera el área de sustentación es mayor y es menos probable caer.
Neumáticos anchos
Los carros deportivos y los autos de competición usan neumáticos anchos para tener una mayor estabilidad.
Referencias
- Bauer, W. 2011. Física para Ingeniería y Ciencias. Volumen 1. Mc Graw Hill.
- Giancoli, D. 2006. Physics: Principles with Applications. 6th. Ed Prentice Hall.
- Hewitt, Paul. 2012. Conceptual Physical Science. 5th. Ed. Pearson.
- Resnick, R. (1999). Física. Vol. 1. 3ra Ed. en español. Compañía Editorial Continental S.A. de C.V.
- Rex, A. 2011. Fundamentos de Física. Pearson.
- Sears, Zemansky. 2016. University Physics with Modern Physics. 14th. Ed. Volume 1. Pearson.