Stateczność i sterowność

Stateczność statyczna

To natychmiastowa, wstępna tendencja obiektu do powrotu do pierwotnego stanu równowagi tuż po tym, jak zadziała na niego siła zewnętrzna (np. podmuch wiatru).

Wyróżniamy stateczność statyczną:

• pozytywną - obiekt stateczny - Po wytrąceniu z równowagi, obiekt ma skłonność do powrotu do stanu równowagi. Co ważne, nie definiujemy tu, czy do tego stanu równowagi wróci (to opisuje stateczność dynamiczna), ale określamy sam kierunek zmiany.
• obojęną - obiekt stateczny obojętnie - Po wytrąceniu z równowagi, obiekt nie ma skłonności ani do pogłębienia odchylenia, ani do powrotu do stanu równowagi.
• ujemną - obiekt niestateczny - Po wytrąceniu z równowagi, obiekt ma skłonność do pogłębienia odchylenia.

Rodzaje równowagi w mechanice a zachowanie ciała

W fizyce i mechanice ogólnej rodzaje stateczności statycznej idealnie pokrywają się z klasycznymi pojęciami stanów równowagi:

1. Równowaga stała (trwała) – odpowiada stateczności dodatniej (ciało wraca do punktu wyjścia).
2. Równowaga chwiejna (nietrwała) – odpowiada stateczności ujemnej (ciało oddala się coraz szybciej).
3. Równowaga obojętna – odpowiada stateczności obojętnej (ciało porusza się ruchem jednostajnym).

Stateczność dynamiczna

Opisuje zachowanie obiektu w czasie. Skupia się na tym, w jaki sposób obiekt wraca do równowagi i co dzieje się z powstałymi drganiami (oscylacjami). Co ważne, aby mówić o stateczności dynamicznej, obiekt musi być stateczny statycznie.

Ponownie, wyróżniamy stateczność dynamiczną:

• dodatnią - obiekt stateczny dynamicznie - Obiekt po wytrąceniu z równowagi zaczyna się kołysać, ale z każdym wahnięciem te drgania są coraz mniejsze (wygaszają się), aż w końcu całkowicie ustaną.
• obojętną - obiekt dynamicznie obojętny - Obiekt zaczyna się kołysać i te wahania trwają bez końca z dokładnie taką samą amplitudą.
• ujemną - obiekt niestateczny dynamicznie - Drgania zamiast maleć, z każdym wahnięciem stają się coraz większe i gwałtowniejsze, co bez interwencji prowadzi do katastrofy.

Sterowność

To zdolność obiektu do dokładnego i szybkiego reagowania na celowe działania sterującego (pilota, kierowcy lub autopilota). Mówi o tym, jak łatwo za pomocą sterów można zmienić kierunek, prędkość lub pozycję obiektu.

Stateczność vs Sterowność

W inżynierii te dwie cechy naturalnie ze sobą walczą. Obiekt bardzo stateczny (np. duży samolot pasażerski) "chce" lecieć prosto i trudno go z tego stanu wytrącić, przez co jego sterowność jest celowo ograniczona. Z kolei obiekt bardzo sterowny (np. myśliwiec F-16 czy dron wyścigowy) jest projektowany jako aerodynamicznie niestateczny – dzięki temu reaguje na stery błyskawicznie, ale nad jego stabilnością w ułamkach sekund musi czuwać komputer.