ساختار یک ساختمان باید چنان باشد که در اثر عوامل مختلف نظیر طوفان ،زلزله و... فرو نپاشد. پایههای یک پل معلق ، باید آنچنان محکم باشد کهتحت تاثیر وزن پل و بار ترافیکی روی آن خراب نشود. یک اتومبیل طوری طراحیمیشود که بر اثر تغییر جهت ناگهانی و یا افزایش سرعت از هم نپاشد.

درکلیه این نوع مسائل ، طراح با این مساله درگیر است که این سازهها بایدتحت نیروها و گشتاورهای ناشی از اعمال نیروها معیوب نشوند. در چنین مسائلیدو سوال در نظر است. اول اینکه چه نیروها و گشتاورهایی بر جسم مورد نظراعمال میشوند؟ و دوم اینکه ، با توجه به طرح و نوع مواد مورد استفاده درآن ، آیا جسم تحت تاثیر این نیروها و گشتاورها معیوب میشود ، یا نه؟
تعادل مکانیکی

شرایط تعادل مکانیکی

برایآنکه یک جسم در تعادل مکانیکی باشد، باید برآیند نیروهای وارد بر آن وهمچنین برآیند گشتاورهای وارد بر آن حول هر محور ثابتی در سیستم مرکز جرم، صفر باشد.
تعادل استاتیکی

شرایط تعادل استاتیکی

برایآنکه یک جسم در تعادل استاتیکی باشد، باید علاوه بر اینکه باید برآیندنیروهایی وارد بر آن و نیز برآیند گشتاورهای وارد بر آن حول هر محور ثابتیدر سیستم مرکز جرم صفر باشد (تعادل مکانیکی) ، باید هم سرعت مرکز جرم و همسرعت زاویهای حول هر محوری در دستگاه برابر با صفر باشد.
انواع تعادلهای مکانیکی و استاتیکی

صرف نظر از انواع مکانیکی و یا استاتیکی ، تعادل بر سه قسم است.
تعادل پایدار

یعنیهر تغییر مکانی از این موقعیت ، منجر به نیروی بازگردانندهای میشود کهتمایل به بازگرداندن ذره به موقعیت تعادلش را دارد. در این حالت انرژیپتانسیل حداقل است. به بیان دیگر وقتی میگوییم جسم در حال تعادل پایداراست که برای تغییر موقعیت آن یک عامل خارجی بر روی آن کار انجام دهد و اینامر منجر به افزایش انرژی پتانسیل آن شود.

اما این امر تنها درمورد ذراتی است که در حال حرکت انتقالی هستند. اما برای وجود تعادل بایدجسم تعادل دورانی داشته باشد. برای مثال یک مکعب را که از یک وجهش بر روییک میز افقی در حال سکون است، در نظر بگیرید. مرکز ثقل در مرکز سطح مقطعمکعب است.

فرض کنید چنان نیرویی بر روی مکعب اعمال کنیم، که مکعببدون لغزش ، حول محوری در امتداد یکی از یالهایش دوارن کند. در این حالت ،مرکز ثقل بلند میشود و لذا بر روی مکعب کار انجام میشود، که این امرباعث افزایش انرژی پتانسیل مکعب میگردد. اگر نیرو برداشته شود، مکعبتمایل به بازگشت به موقعیت اولش را خواهد داشت. پس موقعیت اولیه تعادلپایدار است.
تعادل ناپایدار

یعنی هر تغییر مکانی از اینموقعیت ، منجر به نیرویی میشود، که تمایل به راندن ذره به نقطهای دورتراز موقعیت تعادلش را دارد. در این حالت برای تغییر موقعیت ذره ، نیاز بهانجام هیچ کاری توسط عامل خارجی ، بر روی آن نمیباشد. در این شرایط انرژیپتانسیل حداکثر است. کار انجام شده برای تغییر مکان جسم ، باعث کاهش انرژیپتانسیل میشود.

برای ارضا شرط تعادل دورانی ، فرض کنید مکعببگونهای دوران داده شود، تا بر روی یکی از گوشههایش قرار گیرد. مکعبمجددا در حال تعادل خواهد بود. این موقعیت ، تعادل ناپایدار به نظرمیرسد. زیرا حتی اعمال یک نیروی افقی جزئی ، باعث دور شدن مکعب از اینموقعیت ، همراه با کاهش انرژی پتانسیل میشود.
تعادل خنثی

دراین حالت ذره میتواند بدون تحمل یک نیروی راننده یا یک نیروی بازگردانندهبه میزان جزئی تغییر مکان یابد. در این حالت انرژی پتانسیل ثابت است. درمورد شرط تعادل دورانی ، یک کره واقع بر سطح یک میز که تحت تاثیر یک نیرویافقی قرار دارد را در نظر بگیرید. انرژی پتانسیل کره در مدت این تغییرمکان ثابت است و در صورت برداشتن نیروی اعمالی ، سیستم تمایل به حرکت درهیچ جهتی را ندارد.
نقطه زین اسبی :
گاهی یک ذره ممکن است از نقطهنظر یک مختصه ، در حال تعادل پایدار و از نقطه نظر مختصهای دیگر در حالتعادل ناپایدار باشد. به چنین نقطهای زین اسبی گوییم. برای مثال یک مکعبکه بر روی یکی از یالهایش در حال توازن است، میتوان در حالت تعادلناپایدار در نظر گرفت، هر گاه یک نیروی افقی ، عمود بر یالش ، بر روی آناعمال شود. همچنین میتوان آن را در حال تعادل ناپایدار در نظر گرفت، هرگاه یک نیروی افقی موازی با یالش بر روی آن اعمال شود.
تاثیر طرح و نوع مواد تشکیل دهنده جسم در حفظ تعادل جسم

جامداتمرکب از اتمهایی هستند که با هم تماس مستقیم ندارند. دارای میلههای محکمینیستند که بتوانند نزدیک هم قرار بگیرند. پس ابر الکترونی آنها میتواندتحت اثر نیروهای خارجی شکل بگیرند، یا تغییر شکل دهند. در یک جامد اتمهاتوسط نیروهایی که بسیار شبیه به نیروهای فنری عمل میکنند، به یکدیگر متصلمیباشند.

ثابتهای فنری موثر بسیار بزرگ نمیباشند، به نحوی کهبرای تغییر فاصله ، نیاز به اعمال نیروی بزرگی دارند. یک استوانه جامد رادر نظر بگیرید. برای ایجاد تغییر بر روی آن ، میتوان آن را از دو انتهاکشید و یا آن را با اعمال یک نیروی افقی به سویی هل داد. یا میتوان آن رابا اعمال نیروهایی به صورت یکنواخت در کلیه جهتها فشرد. در هر سه حالت ،تنش ، که در ارتباط با نیروهای اعمالی میباشد و کرنش یا یک نوع تغییر شکلایجاد میشود.

در حالت کلی تنش و کرنش متناسبند. اگر تنش بیش ازحد الاستیک ماده ، افزایش یابد. ابعاد جسم به صورت دائمی تغییر پیدامیکند و بعد از برداشتن تنش ، به حالت اولیهاش باز نمیگردد. در اینحالت جسم فرو میپاشد. در کشش یا فشردگی ساده ، تنش به صورت نیرو تقسیم برسطحی که نیرو بر آن اعمال میشود و کرنش یا تغییر شکل به صورت یک کمیت بدندیمانسیون aL/L ، یا تغییر جزئی در طول جسم تعریف میشود.