Equilibrio y estabilidad - Movimiento y Estabilidad

¿Qué es el equilibrio?

Un cuerpo está en equilibrio cuando las fuerzas que actúan sobre él se compensan entre sí: no se acelera ni empieza a girar. Para lograrlo se deben cumplir dos condiciones:

Primera condición

Σ F = 0

Segunda condición

Σ M = 0

La primera evita que el cuerpo se traslade y la segunda evita que gire.

Rocas apiladas una sobre otra en equilibrio — Figura 1: Las rocas no caen porque el peso de cada una queda alineado sobre su punto de apoyo. Fuente: ver Autoría

Centro de gravedad y base de sustentación

El centro de gravedad es el punto donde podemos imaginar concentrado todo el peso de un objeto. La base de sustentación es la zona de apoyo sobre el suelo.

Regla sencilla: un objeto no se vuelca mientras la línea vertical que baja desde su centro de gravedad caiga dentro de la base. Será más estable si:

Su centro de gravedad está bajo.
Su base es ancha.

Torre inclinada de Pisa — Figura 2: La Torre de Pisa sigue en pie porque su centro de gravedad aún cae dentro de la base. Fuente: ver Autoría

Simulador: centro de gravedad y vuelco

Inclina la rampa o cambia la altura del bloque: se vuelca cuando la plomada de su centro de gravedad sale de la base.

Inclinación (°): 10 Altura del bloque (cm): 50

Momento de una fuerza (torque)

El momento mide la capacidad de una fuerza para hacer girar un objeto. Depende de la fuerza y de qué tan lejos del eje se aplica: por eso la manija de una puerta está lejos de las bisagras.

Momento de una fuerza

M = F \cdot d

Donde M es el momento (N·m), F la fuerza (N) y d la distancia al eje de giro (m).

Ejemplo resuelto: el sube y baja

Un niño que pesa 300 N se sienta a 2 m del centro. ¿A qué distancia debe sentarse un adulto de 600 N para equilibrarlo?

(300 N) (2 m) = (600 N) \cdot d

d = \frac{600 N·m}{600 N} = 1 m

Simulador: sube y baja

Mueve los pesos y las distancias hasta igualar los momentos de ambos lados.

Peso izquierdo (N): 300 Distancia izquierda (m): 2 Peso derecho (N): 600 Distancia derecha (m): 1.5

Tipos de equilibrio

Tipo de equilibrio	Qué pasa al moverlo un poco	Ejemplo
Estable	Regresa solo a su posición original.	Una canica en el fondo de un tazón.
Inestable	Se aleja cada vez más y cae.	Un lápiz parado sobre su punta.
Indiferente	Se queda en la nueva posición.	Una pelota sobre una mesa plana.

Aplicaciones en ingeniería

Grúas: usan contrapesos para que el momento de la carga no las vuelque.
Edificios: tienen cimientos anchos y el peso concentrado abajo.
Vehículos: los autos de carreras son bajos y anchos para no volcar en las curvas.
Robots: los robots que caminan calculan su centro de gravedad en cada paso para no caerse.

Video explicativo

Este video muestra cómo el centro de gravedad decide si algo se cae o no:

Dato curioso: Los equilibristas llevan una vara larga porque baja su centro de gravedad y hace más lentos los giros, lo que les da tiempo para corregir.