Estabilidade de um Sistema
Existe ainda uma outra propriedade ligada ao equilíbrio de um corpo apoiado
por baixo que pode ser derivada a partir destas condições de equilíbrio estável
e instável. Esta propriedade também pode ser verificada experimentalmente.
Para isto usamos um paralelepípedo retângulo de lados a, b e c. Ele pode ser
um tijolo, um bloco homogêneo de madeira, uma caixa de sapatos, de fósforos ou a
própria armação do modelo didático da Torre de Pisa. Trabalharemos sempre com o plano
bc na vertical.
Tanto pela simetria do
corpo quanto experimentalmente é fácil verificar que o centro de gravidade estará
ao centro do paralelepípedo. Colocamos agora um fio de prumo no centro da
face bc. Se o corpo for um bloco homogêneo de madeira, o mais simples é pregar
um prego no centro desta face, amarrando nele uma linha com uma chumbada na
ponta. No caso da caixa de sapato pode-se utilizar um palito de churrasco
atravessando o centro das duas faces paralelas de lados b e c. Amarra-se então no
palito uma linha com um pequeno peso na ponta (chumbada de pesca em forma de
pirâmide). No caso da caixa de fósforos
pode-se atravessar um alfinete pelo centro das duas faces bc, pendurando nele
uma linha de costura com um pequeno peso. Para evitar que o paralelepípedo
tombe para frente na direção do fio de prumo, é importante que o peso do fio
de prumo seja pequeno comparado ao peso do paralelepípedo. A experiência
também não funciona se o paralelepípedo for muito fino, ou seja, com lado a
sendo muito menor do que b e c, aproximando-se a uma linha (como ocorre com
um retângulo de papel cartão, ou com uma carta de baralho, onde a espessura
do papel cartão ou do baralho é muito menor do que os lados do retângulo).
Nestes casos fica difícil equilibrar o corpo com a face bc na vertical.
Com tudo
preparado, partimos para as experiências.
Experiência 2
Começamos com o paralelepípedo parado sobre uma mesa horizontal, com
o lado c na vertical e o lado b na horizontal. A face ab está na horizontal,
juntamente com seus quatro vértices V1, V2, V3 e V4, conforme ilustramos abaixo,
em (Fig.2a).
Vamos escolher o sentido de rotação antihorário no plano
vertical como indicando um ângulo positivo. Ver Fig.2(b), acima.
Se girarmos o paralelepípedo ao redor do eixo V1V2 de um
ângulo
q e
o
soltarmos do repouso, seu movimento inicial será no sentido de abaixar seu
CG, como sabemos das condições de equilíbrio estável e instável. É fácil
ver que existirá um ângulo crítico qc no qual a reta passando pelo eixo
V1V2 e pelo
centro de gravidade estará vertical, coincidindo com a direção do fio de prumo.
Nesta situação o CG estará na posição mais alta possível.
Caso o
paralelepípedo
parta do repouso em um ângulo inicial menor do que o ângulo crítico, tenderá a
voltar a posição inicial com o lado c na vertical e o lado b na
horizontal, já que
neste sentido de movimento o CG estará baixando. Caso o ângulo inicial seja
maior do que o ângulo crítico, o corpo tenderá a se afastar da posição inicial,
caindo para o lado tal que o lado c se aproxime da horizontal enquanto
que
o lado b tenda à vertical. A posição do ângulo crítico é de equilíbrio instável.
Fig.2(c), acima.
Da Fig.3(a), abaixo, podemos ver que a tangente do ângulo
a entre
a base V1V4
e a reta ligando o vértice V1 ao CG é dada por c/b: tg
a = c/b.
Das Figuras 2 e 3 vemos que o ângulo crítico
qc é dado por 90º -
a.
Isto significa que tg
a =
tg(90º -
qc) = c/b.
Da Fig.3(b) vemos que, em geral, o valor da altura hCG do CG
é dado por hCG = r.sen (a +
q), onde r = (1/2)(c2 + b2)1/2. Quando
q = 0° temos hCG = c/2,
quando q = 90° temos hCG
= b/2. O valor mais alto atingido pelo CG em
relação a superfície horizontal da Terra ocorre quando
a +
q = 90°, quando então hCG = r.
Situações de destaque
a) Quando c = b temos a =
qc = 45°. Neste caso os
valores mais baixos da
altura do CG são dados por hCG = b/2 = c/2 = 0,50c. Nesta situação, o valor mais
alto é dado por hCG = 21/2.c/2 ≈ 0,70c.
b) Se c = 4b temos a = 71,6º
e qc =
18,4°. Neste caso tem-se: hCG = c/2 = 0,50c quando
q
= 0º; hCG = 101/2.c/6 ≈ 0,53c quando
q
= qc e hCG = c/6 ≈ 0,17c
quando q = 90º.
c) No caso em que c = b/3 temos a
= 18,4º, qc = 71,6º e as
alturas: hCG = 0,50c quando q
= 0º; hCG = 101/2.c/2 ≈ 1,6c quando
q
= qc e hCG = 3c/2 = 1,5c
quando q = 90º.
Destas condições vemos então que, quanto mais baixo esta o CG
de um corpo apoiado por baixo em uma situação de equilíbrio estável, maior será
a estabilidade desta situação. Ou seja, quanto mais baixo estiver seu CG maior será o ângulo crítico do corpo.
Pode ser feita uma experiência mais controlada do que a anterior ao lidarmos
sempre com um corpo de mesmo peso e de mesma forma externa, mas tal que
podemos controlar a posição de seu CG. A ideia aqui é usar uma caixa oca
homogênea de lados a, b e c, cujo CG esteja no centro da caixa. Vamos supor
que o lado bc fique sempre na vertical. Coloca-se então um outro peso (lastro)
dentro da caixa, ocupando uma faixa estreita situada a uma altura h da base.
Fig.4(a) e (b).
O importante é que esta altura possa ser controlada por nós. No caso de
uma caixa de fósforos, por exemplo, pode-se prender (colar) uma chumbada
esférica
de pesca na parte inferior (Fig.4b) ou superior da caixa. Pode-se verificar que o CG do
sistema caixa-chumbo estará localizado em algum ponto entre o centro da caixa
e o centro da chumbada. Vamos supor que ele esteja a uma altura hCG
da base da caixa colocada em uma superfície horizontal, situado ao longo do eixo
de simetria da base inferior b da caixa, como na Fig.4.
Experiência 3
Coloca-se um lastro de chumbo internamente a uma caixa de fósforos, apenas sobre o lado inferior. Apóia-se
a caixa de fósforos sobre uma superfície horizontal com a chumbada na parte inferior da caixa. Gira-se então o sistema
ao redor de um dos eixos da base, soltando-o do repouso. Observa-se que para
alguns ângulos o sistema volta à posição inicial ao ser solto do repouso, enquanto
que para ângulos maiores que um certo valor crítico a caixa tomba para o outro
lado. Isto permite que se determine o ângulo crítico para esta situação,
qci (lastro colado na parte
inferior), o
qual separa os dois comportamentos. Inverte-se agora a posição dos chumbos
tal que fiquem na parte superior da caixa. Repete-se o procedimento anterior e
obtém-se um novo ângulo crítico,
qcs
(lastro colado na parte superior) Observa-se que este novo ângulo crítico
é bem menor do que o ângulo crítico anterior,
qcs
<
qci.
Pela definição de equilíbrio estável temos que,
tanto com o peso embaixo, quanto com o peso em cima, a caixa de fósforos fica em equilíbrio estável. Isto ocorre
devido ao fato de que qualquer pequena perturbação desta posição, seja rotação no
sentido horário ou antihorário faz com que ela volte à posição original ao ser
solta do repouso. Apesar disto, pode-se dizer que a caixa com o peso embaixo
possui uma estabilidade maior do que a caixa com o peso em cima. O motivo
para isto é que o ângulo crítico no primeiro caso é bem maior do que o ângulo
crítico no segundo caso. Isto sugere então a definição de estabilidade de um
sistema.