
Equilibrio y estabilidad en un sistema electromecánico (I)
Sea un sistema formado por dos cargas Q y q. La carga Q está fija y la carga q está unida al extremo de un muelle de constante k, tal como se muestra en la figura.
Tomamos como origen la posición de la carga Q fija
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Cuando no hay cargas la posición del extremo del muelle sin deformar respecto del origen O es x0.
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Cuando las cargas son del mismo signo, se repelen y la carga q se aleja de la carga fija Q. x>x0.
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Cuando las cargas son del distinto signo, se atraen y la carga q se acerca a la carga fija Q. x<x0.
Este sistema en apariencia tan sencillo, presenta, sin embargo, un comportamiento complejo. Dada la carga q, determinaremos su posición de equilibrio estable si es que existiese.
Posiciones de equilibrio
La posición de equilibrio de la carga q es aquella en la que la fuerza de atracción o repulsión entre las cargas se compensa con la fuerza que ejerce el muelle.
En las dos figuras anteriores, se muestra el sentido de la fuerza de interacción entre cargas Fe y de la fuerza que ejerce el muelle Fm cuando las cargas son del mismo signo, y cuando son de sentido contrario. Para un valor dado de la carga q, la posición de equilibrio x se determina a partir de la igualdad
Fe=Fm
x0 es la longitud del muelle sin deformar y x es la longitud del muelle deformado.
Elegimos la carga Q y la constante k del muelle de modo que . O bien, elegimos un sistema de unidades en el que q se mide en unidades de .
q=x2(x-x0)
Dada la carga q, resolvemos la ecuación cúbica para determinar la posición de equilibrio x.
Raíces de la ecuación cúbica
En la figura, se ha representado la función
y=x2(x-x0)
dando valores a x en el intervalo entre (0.0, 1.1) y tomando x0=1.0
Como vemos la función presenta un mínimo que se calcula derivando y con respecto de x e igualando a cero.
Tomando con x0=1.0, dado el valor de la carga q, se pueden presentar los siguientes casos:
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No hay raíces reales
Cuando la carga q es inferior a qm=ym, tal como vemos en la figura, la solución de la ecuación cúbica no presenta raíces reales.
Cuando q<qm la fuerza de atracción eléctrica domina a la fuerza que ejerce el muelle sobre la carga q
Para cualquier valor de x<1, q es más grande en valor absoluto que el valor absoluto de y=x2(x-x0). Las cargas Q y q se atraen hasta que coinciden en x=0.
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Dos raíces reales
Cuando el valor de q está entre (qm, 0) la recta y=q corta en dos puntos a la representación de la función cúbica.
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Una sola raíz
Cuando q>0 la recta y=q corta en un solo punto la representación gráfica
Estabilidad de las soluciones
La energía potencial del sistema es la suma de la energía potencial correspondiente a la interacción de las dos cargas eléctricas, y a la energía potencial almacenada en el muelle elástico cuando está deformado.
Hemos elegido la carga Q y la constante k del muelle de modo que .
Las posiciones de equilibrio se calculan igualando a cero la derivada primera
que es la ecuación que hemos estudiado en el apartado anterior
El signo de la derivada segunda de la energía potencial ep(x) determina si la posición de equilibrio es estable (si es mayor que cero) o inestable (si es menor que cero).
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Cuando 0>q>qm hay dos posiciones de equilibrio, a la posición x1 corresponde un máximo de la energía potencial, y a la posición x2 corresponde un mínimo. Por lo que x2 es la posición de equilibrio estable.
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Cuando q disminuye el máximo y el mínimo se van acercando uno al otro hasta que coinciden en el valor de cuando , a dicho punto se le denomina de inflexión. Para esta posición, la derivada segunda de la energía potencial es cero.
La posición xm que corresponde a qm se denomina equilibrio neutro.
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Cuando q>0, solamente hay una posición de equilibrio, que es estable, ya que corresponde a un mínimo de la energía potencial.
Actividades
Se introduce
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La carga q, actuando en la barra de desplazamiento titulada Carga
Se pulsa el botón titulado Calcular
Se representa la curva de energía potencial ep(x) y se señalan su máximo y su mínimo si los hubiere. La carga q unida al muelle se sitúa en la posición de equilibrio estable, siempre que q>qm, y en el origen si q<qm.
Se sugiere al lector, que calcule las raíces de la ecuación cúbica x3-x2-q=0 de forma gráfica, empleando papel milimetrado para distintos valores de q, tal como se ha explicado en esta página. También se puede usar la calculadora para hallar las raíces de la ecuación cúbica mediante las fórmulas del apartado "Raíces de una ecuación cúbica"
Referencias
Partensky M, Partensky P.D. Can a spring beat the charge?. The Physics Teacher, 42 November 2004, pp. 472-47
