مركز الكتلة والاستقرار ( الثبات)
ما العوامل التي يعتمد عليها استقرار مركبة أو تعرضها للانقلاب أو الدوران عند تعرضها الحادث ما ؟
- لكي تتعرف كيفية حدوث ذلك فكر في عملية قلب صندوق. لماذا ينقلب الصندوق المرتفع القليل العرض أسرع من الصندوق المنخفض والعريض؟ لقلب صندوق، كما في الشكل التالي:
(1) يجب تدويره حول إحدى حوافه (زواياه)، بحيث تؤثر في أعلى الصندوق بقوة F لتولد عزما τF، ويؤثر وزن الصندوق في مركز الكتلة بقوة Fg فتولد عزماً معاكساً τω
(2) يُصبح مركز الكتلة فوق النقطة الداعمة (الإسناد) مباشرة يصبح τω صفراً، ويبقى تأثير العزم الخارجي فقط، وبدوران الصندوق أكثر يبتعد مركز الكتلة عن النقطة الداعمة.
(3) يؤثر العزمان في الاتجاه نفسه، فينقلب الصندوق بسرعة.
- فى الشكل السابق توضح الأسهم المنحنية اتجاه العزم الناتج عن القوة المؤثرة لقلب الصندوق.
الاستقرار
- يُعد الجسم في حالة استقرار إذا احتاج إلى قوة خارجية لقلبه أو تحريكه؛ فالصندوق في الشكل السابق يبقى مستقراً ما دام اتجاه العزم الناتج عن وزنه τω يُبقيه مستقراً على قاعدته. ويتحقق ذلك عندما يكون مركز كتلة الصندوق فوق قاعدته.
- لقلب الصندوق أو تدويره يجب تدوير مركز كتلته حول محور الدوران حتى يبتعد مركز الكتلة عن القاعدة.
- لتدوير الصندوق يجب أن ترفع مركز كتلته.
- لذلك كلما كانت قاعدة الجسم عريضة كان أكثر استقرارًا ( يتطلب قلبه تسليط عزم يدور مركز الكتلة مسافة طويلة حتى يصبح خارج القاعدة)، فعندما تقف في حافلة، وتتمايل في أثناء سيرها فإنك تباعد بين قدميك قليلاً بحيث تزيد المسافة بينهما لتتجنب السقوط.
لماذا تنقلب السيارات؟
- يُبين الشكل التالي سيارتين توشكان على الانقلاب.
- لاحظ أن السيارة ذات الارتفاع الأكبر يكون مركز كتلتها مرتفعًا، لذلك يؤدي ميل قاعدتها قليلاً إلى خروج مركز كتلتها عن القاعدة، فتنقلب السيارة، وكلما كان مركز كتلة الجسم منخفضًا تكون السيارة أكثر استقرارًا.
- الشكل السابق يوضح: مركز كتلة السيارة الصفراء أعلى من مركز كتلة السيارة الرمادية، وكلما كان مركز كتلة السيارة مرتفعاً احتجنا إلى ميل أقل لجعله يتحرك خارج القاعدة مسبباً انقلابها.
كيف بصبح جسم الأنسان أكثر استقراراً؟
- أما أنت فتكون أكثر استقرارًا عندما تقف مستويًا على قدميك.
- فإذا وقفت على أصابع قدميك فإن مركز كتلتك يتحرك مباشرة إلى الأمام، ويصبح فوق مقدمة القدمين، وتكون في حالة أقل استقرارًا.
- وفي لعبة الجودو وألعاب الدفاع عن النفس الأخرى يستخدم اللاعب فيها العزم لتدوير الخصم، بحيث لا يكون مركز كتلته فوق قدميه، مما يجعله في وضع أقل استقرارًا أو ثباتًا.
الخلاصة في مركز الكتلة والأستقرار
- نستنتج مما سبق أنه:
(1) إذا كان مركز الكتلة خارج قاعدة الجسم كان الجسم غير مستقر، ويدور أو ينقلب دون تأثير عزم إضافي.
(2) إذا كان مركز الكتلة فوق قاعدة الجسم فإن الجسم يكون مستقراً.
(3) إذا كانت قاعدة الجسم ضيقة ومركز الكتلة فوق القاعدة فإن الجسم يكون مستقراً، إلا أن أي قوة صغيرة تجعله ينقلب أو يدور.
