La stabilità è un concetto importante per chi lavora nel settore meccanico, partendo dai progettisti, arrivando agli architetti, passando per molte altre professionalità.

Definizione di Stabilità

Nella meccanica, la stabilità è la capacità di un oggetto o di un sistema di ritornare al suo stato di equilibrio dopo un’interferenza. La nozione di stabilità è applicata a vari contesti fisici ed è basata su diverse grandezze e leggi fisiche.

Prima di ogni altra considerazione è opportuno fare delle distinzioni tra diversi tipi di stabilità.

1) Stabilità statica

In questo contesto, le grandezze coinvolte includono la forza, il momento (o coppia), la massa e il centro di massa dell’oggetto.

La legge fondamentale della statica coinvolta è la condizione di equilibrio. Secondo questa legge, un oggetto è in equilibrio se la somma delle forze applicate su di esso è uguale a zero, e la somma dei momenti rispetto a un punto è uguale a zero.

Un esempio pratico di stabilità statica è una sedia. La sedia è stabile quando il suo centro di massa è sopra le gambe, in modo che le forze gravitazionali esercitate sulla sedia siano equilibrate.

2) Stabilità dinamica

In questo contesto, le grandezze coinvolte includono la velocità, l’accelerazione e le forze agenti sull’oggetto in movimento. Immaginiamo un ciclista: non è forse in condizione d’equilibrio, mentre sta pedalando? Lo è, perché regola costantemente il suo centro di massa e il suo momento angolare, sui quali si basa questo tipo di stabilità.

Secondo il principio di conservazione del momento angolare, il momento angolare di un oggetto in un sistema isolato rimane costante a meno che non agiscano forze esterne.

Un esempio di stabilità dinamica è un ciclista che mantiene l’equilibrio mentre pedala. Il ciclista regola costantemente il suo centro di massa e il momento angolare per rimanere in equilibrio.

3) Stabilità strutturale

Per assicurarsi ad esempio che un edificio sia stabile, dobbiamo considerare le leggi di Newton della dinamica e le equazioni statiche. Solo grazie ad esse possiamo essere sicuri che l’edificio sia stabile e sicuro sotto varie condizioni di carico.

In ingegneria strutturale, si considerano parametri come la resistenza dei materiali, la distribuzione del carico, e le dimensioni e la forma della struttura.

4) Stabilità termica

Un esempio di stabilità termica è la temperatura di ebollizione dell’acqua. L’acqua a pressione atmosferica inizia a bollire a 100 gradi Celsius e rimane in uno stato di equilibrio termico durante il processo di ebollizione. Per comprendere cosa accade dobbiamo rifarci al concetto di equilibrio termodinamico. Un sistema termodinamico è stabile quando è in uno stato di minima energia libera o minima entropia, a seconda del contesto.

Formule

La formula fondamentale per la condizione di equilibrio in fisica è basata sul concetto di momento torcente (o coppia) e forza. Perché un oggetto sia in equilibrio, innanzi tutto la somma delle forze agenti su di esso deve essere uguale a zero.

Questa condizione può essere espressa con la seguente equazione:

∑F = 0

Dove ∑F rappresenta la somma delle forze agenti sull’oggetto.

In secondo luogo, perché un oggetto sia in equilibrio serve che la somma dei momenti torcenti rispetto a un punto qualsiasi sia uguale a zero:

∑τ=0

Qui ∑τ rappresenta la somma dei momenti torcenti rispetto a un punto di riferimento (solitamente chiamato “punto di riferimento” o “fulcro”).

Queste due condizioni insieme assicurano che l’oggetto sia in equilibrio sia dal punto di vista delle forze che dei momenti torcenti. La prima condizione implica che le forze verticali si bilancino con le forze orizzontali, mentre la seconda condizione implica che i momenti torcenti (o coppie) si annullino intorno al punto di riferimento scelto.

Queste formule valgono per l’equilibrio statico, ma anche per quello dinamico.