Как найти центр тяжести полосы

Содержание:

  1. Центр масс
  2. Центр параллельных сил
  3. Центр тяжести
  4. Центры тяжести некоторых плоских однородных фигур
  5. Центр тяжести дуги окружности
  6. Центр тяжести кругового сектора
  7. Центр тяжести кругового сегмента
  8. Центр тяжести треугольника
  9. Центр тяжести трапеции
  10. Примеры решения задач на тему: Центр масс
  11. Способы определения координат центра тяжести тела
  12. Метод симметрии
  13. Метод разбиения
  14. Метод дополнения
  15. Экспериментальные способы
  16. Центры тяжести некоторых однородных тел
  17. Центр тяжести дуги окружности
  18. Центр тяжести треугольника
  19. Центр тяжести сектора

Центр масс – это геометрическая точка, положение которой определяется распределением массы в теле, а перемещение характеризует движение тела или механической системы как целого.

На странице -> решение задач по теоретической механике собраны решения задач и заданий с решёнными примерами по всем темам теоретической механики.

Центр масс

Центр масс – это некоторое положение, определяемое относительно объекта или системы объектов и это среднее положение всех частей системы, взвешенное в соответствии с их массами.

Центр параллельных сил

Если на тело действует система параллельных сил Центр массЦентр масс,…, Центр масс, то точка Центр масс, через которую проходит равнодействующая Центр масс этой системы сил, называется центром параллельных сил (рис.9.1).

Центр масс

Координаты центра параллельных сил определяются по зависимостям:

Центр масс

Центр масс

где Центр масс – координаты точек приложения сил Центр масс.

Центр параллельных сил имеет ту особенность, что через него обязательно будет проходить линия действия равнодействующей при вращении линий действия всех сил системы вокруг точек их приложения на один и тот же угол в одну и ту же сторону. Модули сил при вращении не должны меняться.

Центр тяжести

Если твердое тело находится возле поверхности Земли, то на каждую материальную часть этого тела действует сила тяжести­ Центр масс, которая направлена к центру Земли. Поскольку размеры тела небольшие по сравнению с размерами Земли, то образованную систему сил можно рассматривать как параллельную. Равнодействующая этой параллельной системе сил Центр масс, которая равна их сумме, называется тяжестью тела, а центр этой системы – точка Центр масс называется центром тяжести тела (рис.9.2).

Координаты центра тяжести твердого тела можно определить как координаты центра параллельных сил:

Центр масс

Центр масс

где Центр масс – сила тяжести элементарной частицы тела;

Центр масс – тяжесть тела;

Центр масс – координаты центра тяжести;

Центр масс – координаты элементарной частицы тела.

Если тело однородное, то есть удельный вес не меняется по объему Центр масс, то:

Центр масс

где Центр масс – объем тела;

Центр масс – объем элементарной частицы.

Тогда формулы для определения координат центра тяжести твердого тела приобретут вид:

Центр масс

Положение центра тяжести однородного тела зависит только от формы объема, что занимает тело, и называется центром тяжести этого объема.

Если однородное тело имеет форму тонкой пластины, то его можно рассматривать как материальную плоскую фигуру. В этом случае положение центра тяжести плоской фигуры определяется двумя координатами Центр масс и Центр масс и зависит от формы площади фигуры:

Центр масс

где Центр масс – площадь элементарной части плоской фигуры;

Центр масс – площадь плоской фигуры.

Центр тяжести однородной пластины называется центром тяжести плоской фигуры.

Если выбранный элементарный объем Центр масс (площадь элементарной площадки в плоском случае) направить к нулю, то формулы для вычисления координат центра тяжести приобретут интегральный вид:

а) для однородного твердого тела:

Центр масс

где Центр масс – объем тела, интегрирование выполняется по всему объему тела;

б) для однородной поверхности:

Центр масс

где Центр масс – площадь поверхности, интегрирование выполняется по всей поверхности тела;

в) для однородной плоской фигуры, лежащей в плоскости xy:

Центр масс

г) для однородной линии:

Центр масс

где Центр масс – длина линии, интегрирование выполняется по всей длине линии.

Центры тяжести некоторых плоских однородных фигур

Для упрощения определения центра тяжести используются следующие вспомогательные правилами:

1. Если тело имеет плоскость симметрии, то центр тяжести лежит на этой плоскости.
2. Если тело симметрично относительно оси, то центр тяжести лежит на этой оси.
3. Если тело симметрично относительно точки, то центр тяжести лежит в центре симметрии.
4. Если тело состоит из нескольких частей, центры тяжести которых можно определить, то центр тяжести такого тела находят как центр тяжести нескольких материальных точек, а именно тех, в которых расположены весы каждой отдельной части тела.

Центр тяжести дуги окружности

Центр тяжести дуги окружности Центр масс (рис.9.3) лежит на ее оси симметрии и на расстоянии Центр масс от центра окружности:

Центр масс

где Центр масс – радиус окружности;

Центр масс – половина центрального угла, опирающегося на дугу Центр масс.

Центр масс

Центр тяжести кругового сектора

Центр тяжести кругового сектора лежит на оси симметрии и имеет координаты:

Центр масс

где Центр масс – радиус окружности;

Центр масс – половина центрального угла сектора.

Центр масс

Центр тяжести кругового сегмента

Центр тяжести кругового сегмента лежит на оси симметрии сегмента и имеет координаты:

Центр масс

где Центр масс – радиус окружности;

Центр масс – половина центрального угла сегмента.

Центр масс

Центр тяжести треугольника

Центр тяжести треугольника (рис. 9.6) лежит в точке пересечения его медиан – на расстоянии 1/3 каждой медианы от соответствующего основания треугольника.

Центр масс

Центр тяжести трапеции

Центр тяжести трапеции (рис.9.7) с основаниями Центр масс и Центр масс и высотой Центр масс лежит на прямой Центр масс, которая соединяет середины основ.

Центр масс

Расстояния Центр масс и Центр масс центра тяжести Центр масс площади трапеции от ее основ определяются по формулам:

Центр масс

Наиболее распространенный способ определения положения центра тяжести однородного тела сложной формы заключается в том, что его разбивают на такие части, положение центров тяжести которых известно, или может быть легко определено.

Например, однородную плоскую фигуру (рис.9.8) разбивают на три части 1,2 и 3, положения центров тяжести которых, Центр масс можно определить.

Центр масс

Координаты центра тяжести фигуры Центр масс определяются по формулам:

Центр масс

где Центр масс – координаты центра тяжести Центр масс первой части плоской фигуры;

Центр масс – площадь первой части и т.п.

Этим способом удобно пользоваться и при определении положения центра тяжести плоской фигуры, из которой вырезана некоторая часть (рис.9.9).

Центр масс

В этом случае площадь плоской фигуры можно записать в виде разницы площадей сплошной фигуры 1 (площадь положительная) и вырезанной части 2 (площадь отрицательная), то есть Центр масс .

Координаты центра тяжести фигуры равны:

Центр масс

где Центр масс – координаты центра тяжести сплошной фигуры 1, площадь которой равна Центр масс;

Центр масс – координаты центра тяжести вырезанной части 2, площадь которой равна – Центр масс.

Первый из этих методов имеет название “метод разбиения”, второй – “метод дополнения”, или “метод отрицательных масс”. В общем случае формулы для определения центра тяжести плоской фигуры имеют вид:

Центр масс

где Центр масс – площадь всей фигуры.

Примеры решения задач на тему: Центр масс

Задача № 1

Найти центр тяжести двутаврового профиля, размеры которого в сантиметрах указаны на рис.9.10.

Решение. Поскольку форма сечения имеет ось симметрии, ось Центр масс направим вдоль оси симметрии, а ось Центр масс перпендикулярно ей.

В силу симметричности профиля относительно оси Центр масс центр тяжести будет лежать на этой оси, то есть Центр масс

Линиями Центр масс и Центр масс поделим профиль на три прямоугольника 1, 2 и 3.

Запишем уравнение для определения абсциссы центра тяжести площади:

Центр масс

где Центр масс – абсциссы центров тяжести прямоугольников 1, 2, 3;

Центр масс – площади этих прямоугольников.

Центр масс

Поскольку центры тяжести прямоугольников Центр масс и Центр масс лежат на пересечении их диагоналей, то (рис.9.10):

Центр масс

Площади этих прямоугольников соответственно равны:

Центр масс

Тогда: 

Центр масс

Таким образом, центр тяжести фигуры лежит в точке Центр масс с координатами: Центр масс

Ответ: Центр масс

Задача № 2

Найти координаты центра тяжести поперечного пересечения разностороннего угольника (рис.9.11), полки которого имеют ширину Центр масс и толщину Центр масс

Центр масс

Решение. Разделим пересечение линией Центр масс на два прямоугольника Центр масс и Центр масс, центры тяжести которых лежат на пересечении соответствующих диагоналей.

Запишем формулы для координат Центр масс и Центр масс центра тяжести пересечения:

Центр масс

где Центр масс и Центр масс – координаты центров тяжести прямоугольников 1 и 2;

Центр массЦентр масс – площади прямоугольников 1 и 2.

С рис.9.11 видим, что

Центр масс

Тогда: 

Центр масс

Ответ: Центр масс

Задача № 3

Определить положение центра тяжести плоской фигуры (рис.9.12), ограниченной полуокружностью Центр масс радиуса Центр масс и двумя прямыми равной длины Центр масс и Центр масс, причем Центр масс

Центр масс

Решение. Данная площадь имеет ось симметрии, вдоль которой направим ось Центр масс. Поскольку центр тяжести площади Центр масс лежит на оси симметрии, то Центр масс

Разделим площадь Центр масс линией Центр масс на две части: полуокружность Центр масс и равнобедренный треугольник Центр масс.

Абсцисса центра тяжести площади Центр масс будет равняться:

Центр масс

где Центр масс – координата центра тяжести половины круга Центр масс;

Центр масс – координата центра тяжести треугольника Центр масс;

Центр массЦентр масс – площади половины круга и треугольника.

Для определения Центр масс воспользуемся приведенными в разделе 9.3.2 координатами центра тяжести кругового сектора

Центр масс

В случае половины круга Центр масс

Центр масс

Площадь половины круга равна:

Центр масс

Центр тяжести треугольника лежит на пересечении его медиан (раздел 9.3.4). Поскольку треугольник Центр масс равнобедрен, то линия Центр масс будет его медианой и расстояние Центр масс будет равняться третьей части от Центр масс:

Центр масс

Площадь треугольника Центр масс равна:

Центр масс

Подставив найденные значения Центр массЦентр массЦентр масс и Центр масс в уравнение для Центр масс, получим:

Центр масс

Ответ: Центр масс

Задача № 4

Найти координаты центра тяжести квадратной пластины с вырезом в виде сегмента радиуса Центр масс (рис.9.13), если

Центр масс

Центр масс

Решение. Осью симметрии рассматриваемой фигуры будет диагональ Центр масс прямоугольника Центр масс

Поэтому направим ось Центр масс вдоль этой линии, а ось Центр масс – перпендикулярно (рис.9.13).

Центр тяжести пластины будет лежать на оси Центр масс, то есть Центр масс

Площадь фигуры Центр масс можно представить как разницу площадей квадрата Центр масс (положительная площадь) и сектора Центр масс (отрицательная площадь).

Абсцисса центра тяжести фигуры будет равняться:

Центр масс

где Центр масс – абсцисса центра тяжести квадрата Центр масс;

Центр масс – абсцисса центра тяжести сектора Центр масс;

Центр масс и Центр масс – площади квадрата и сектора.

Для квадрата Центр масс получим:

Центр масс

Как следует из рис. 9.13, Центр масс равняется

Центр масс

где Центр масс – расстояние от точки Центр масс к центру тяжести кругового сектора Центр масс.

Для кругового сектора (раздел 9.3.2) получим:

Центр масс

Поскольку Центр масс и Центр масс, то 

Центр масс

Таким образом, абсцисса Центр масс равняется:

Центр масс

Площадь кругового сектора Центр масс:

Центр масс

Подставив значение Центр массЦентр массЦентр масс и Центр масс в формулу для Центр масс, получим:

Центр масс

Ответ:  Центр масс

Задача № 5

Найти координаты центра тяжести площади, ограниченной (рис.9.14) правой веткой параболы Центр масс, осью Центр масс и прямой Центр масс

Центр масс

Решение. На расстоянии Центр масс от оси Центр масс выделяем элементарную площадку Центр масс шириной Центр масс (заштрихованная область).

Площадь выделенной элементарной площадки будет равняться:

Центр масс

Площадь фигуры, что ограничена заданными линиями:

Центр масс

Поскольку точка Центр масс представляет собой пересечение параболы Центр масс и прямой Центр масс, то Центр масс

Отсюда: 

Центр масс

Тогда:

Центр масс

Абсцисса центра тяжести

Центр масс

Для определения координаты Центр масс выделим элементарную площадку Центр масс шириной Центр масс на расстоянии Центр масс от оси Центр масс.

Площадь выделенной площадки:

Центр масс

Ордината центра тяжести:

Центр масс

Тогда: 

Центр масс

Ответ: Центр масс

Способы определения координат центра тяжести тела

Существует несколько способов определения координат центра тяжести тел. среди них различают: метод симметрии, метод разбиения и дополнения, экспериментальные способы.

Рассмотрим последовательно эти способы.

Метод симметрии

Если однородное тело имеет плоскость, ось или центр симметрии, то его центр тяжести лежит соответственно в плоскости симметрии, или на оси симметрии, или в центре симметрии.

Таким образом, центр тяжести однородных симметричных тел, таких как кольца,
прямоугольные пластины, прямоугольные параллелепипеды, шары и другие тела, которые
имеют центр симметрии, расположенный в геометрических центрах (центры симметрии) этих тел.

Метод разбиения

Если тело можно разбить на конечное число таких частей, для каждой из которых положение центра тяжести нетрудно определяется, то координаты центра тяжести всего тела можно определить непосредственно по формулам выше. Причем количество слагаемых в числителе каждого из указанных выражений будет равно количеству частей, на которое разбивается тело.

Приведем пример определения центра тяжести тела методом разбиения его на отдельные тела, центры тяжести которых известны.

Пример:

Определить координаты центра тяжести однородной пластины. Размеры в
мм заданные на рис. 1.64

Центр масс

Решение.

Выберем оси координат x и y. Разбиваем пластину на отдельные прямоугольные части. Для каждого прямоугольника проводим диагонали, точки пересечения которых c1, c2 и c3 соответствуют центрам веса каждого прямоугольника. В принятой системе координат нетрудно получить значение координат этих точек. А именно: c(–1,1), c(1,5), c(5,9). Площади каждого тела соответственно равны: I — s1 = 4 см2; II — s2 = 20 см2; III — s3 = 12 см2. Площадь всей пластины равна: S = s1 + s2 + s3 = 36 см2.

Для определения координат центра тяжести заданной пластины используем выражение выше. Подставив значения всех известных величин в уравнения, получим

Центр масс

По вычисленным значениям координат центра тяжести пластины можно обозначить точку C на рисунке. Как видим, центр тяжести (геометрическая точка) пластины расположен за ее пределами.

Метод дополнения

Способ, о котором говорится далее, является некоторым случаем способа разбиения. Он может применяться к телам, которые имеют вырезы, полости, причем без учета выреза, или вырезанной части тела положение центра тяжести тела известно. Рассмотрим пример применения такого метода.

Пример. Определить положение центра тяжести круглой пластины радиусом R, имеет круговое отверстие радиуса r (рис. 1.65). Расстояние C1C2 = a.

Центр масс

Решение.

Как видно из рисунка, центр тяжести пластины находится на оси симметрии пластины x, то есть на прямой, проходящей через точки C1 и C2. Таким образом, для определения положения центра тяжести этой пластины необходимо вычислить только одну координату xC, поскольку вторая координата yравна нулю. Покажем оси координат x, y. Примем, что пластина состоит из двух тел — с полного круга (без учета выреза) и тела,
образовано вырезом. В принятой системе координаты x для указанных тел будут равны: x= 0; x2 = C1C2 = a. Площади тел равны: Центр массОбщая площадь всего тела будет равна физической разницы между площадями первого и второго тел, а именно
Центр масс Для определения неизвестной координаты центра тяжести
заданной пластины используем первое уравнение выражения.

Подставив значения всех известных величин в это уравнение, получим

Центр масс

Таким образом, значение координаты xC отрицательное, а потому, поскольку вторая координата 0 yC = 0, то центр тяжести пластины C размещен на оси слева от точки C1.

Экспериментальные способы

Эти способы нашли широкое применение при отыскании положения центра тяжести тел сложных форм и конфигураций, для которых другие способы почти непригодны вследствие громоздкости и сложности. К таким телам, в первую очередь, следует отнести комбайны, тракторы, сложные сельскохозяйственные машины и орудия. При применении экспериментальных способов отыскания положения
центра тяжести наиболее широко используют метод подвешивания и метод взвешивания тел.

При применении метода подвешивания тело на тросе подвешивают за различные его точки. Направление троса, будет давать каждый раз направление силы веса тела. Тогда точка пересечения этих направлений и дает положение центра тяжести тела.

Использование второго метода — взвешивание требует измерения веса всего тела, а также отдельных его частей. Рассмотрим пример применения этого метода.

Пример.

Определим продольную координату центра тяжести трактора, у которого продольная база составляет l (рис. 1.66).

Центр масс

Решение.

Сначала поставим на платформу весов задние колеса трактора, как это показано на рисунке. Итак, определяем силу давления задних колес на платформу, или реакцию Центр масс. Аналогично определяем вес переднего моста, или реакцию Центр масс. Вполне понятно, что сумма этих реакций равна общему весу трактора, а именно:

Q = RA + RB.

Теперь составим алгебраическую сумму моментов всех сил относительно точки A. Она равна

Центр масс

Откуда определяем продольную координату центра тяжести:

xCЦентр масс.

Для определения поперечной координаты центра тяжести трактора необходимо знать реакции левых колес (переднего и заднего) и правых, а также поперечную базу трактора. Дальше аналогичным выражением определяется эти координаты центра тяжести.

Центры тяжести некоторых однородных тел

Определим далее координаты центров тяжести некоторых простых однородных тел.

Центр тяжести дуги окружности

Рассмотрим дугу AB окружности радиусом R, в которой центральный угол OAB равен 2α (радиан) (рис. 1.67). Покажем оси координат x, y начало которых разместим в точке O. Вследствие того, что дуга имеет ось симметрии Ox, то центр ее тяжести будет расположен именно на этой оси (yC = 0). Остается только вычислить координату xC.

Центр масс

Используем для вычисления этой координаты первое уравнение выражения, а именно

Центр масс

Определим составляющие, которые необходимо подставить в это уравнение. Для этого выделим на дуге AB элемент M M1 длиной dl, равной:

dl = R · dφ.

Если φ — угол, определяющий положение элемента M M1 на дуге AB, то координата x элемента M M1 будет равна:

x = Rcosφ.

Общая длина дуги AB равна:

L = 2α · R.

Подставим эти значения в первое уравнение выражения. При этом считается, что интеграл в числителе данного выражения должен быть определенным по всей длине дуги. Будем иметь:

Центр масс

Центр масс

Таким образом, координата xC будет равняться

xC = Центр масс.

Центр тяжести треугольника

Есть произвольный треугольник, вершины которого в принятой системе координат Oxy соответствуют точкам с координатами A1 (x1y1), A2 (x2, y2), A3 (x3, y3) (рис. 1.68). Если провести прямые, которые будут параллельны основе A1A3 и провести их достаточное количество, то вся площадь треугольника будет состоять из полос бесконечно малой ширины, центры тяжести которых будут размещены посередине каждой полосы, а потому и центр тяжести треугольника будет расположенный на его медиане. А если провести линии, параллельные другой стороне треугольника, то и в этом случае центр тяжести будет размещен на соответствующей медиане. Таким образом, совершенно очевидно, что центр тяжести треугольника C будет расположен в точке пересечения его медиан.

Определим координаты этой точки. По курсу аналитической геометрии известно, что точка пересечения медиан треугольника в принятой системе координат определяется такими зависимостями

Центр масс

где x1, x2, …, y3  — координаты вершин треугольника.

Полезно также знать, что

Центр масс

Центр масс

Центр тяжести сектора

Рассмотрим круговой сектор OAB радиуса R, центральный угол которого равен 2α (радиан) (рис. 1.69). Центр тяжести сектора, вполне очевидно, лежит на оси его симметрии, то есть на биссектрисе угла AOB. Эту биссектрису примем за ось x и найдем на этой оси положение центра C. Разобьем площадь сектора на бесконечно большое число элементарных секторов с центральными углами ∆φ.

Будем рассматривать каждый сектор как треугольник с основанием R · ∆φ и высотой R. Центр тяжести каждого треугольника расположен на расстоянии Центр масс от центра сектора. Таким образом, центры тяжести всех треугольников расположены на дуге A´B´. Итак, если 0 ∆φ → 0, то центры тяжести образуют дугу AB, тогда необходимо найти центр тяжести дуги A´B´. Используем формулу, по которой определяется центр тяжести дуги окружности радиусом r:

Центр масс

Центр масс

Тогда учитывая, что

Центр масс

Будем иметь

Центр масс

Услуги по теоретической механике:

  1. Заказать теоретическую механику
  2. Помощь по теоретической механике
  3. Заказать контрольную работу по теоретической механике

Учебные лекции:

  1. Статика
  2. Система сходящихся сил
  3. Момент силы
  4. Пара сил
  5. Произвольная система сил
  6. Плоская произвольная система сил
  7. Трение
  8. Расчет ферм
  9. Расчет усилий в стержнях фермы
  10. Пространственная система сил
  11. Произвольная пространственная система сил
  12. Плоская система сходящихся сил
  13. Пространственная система сходящихся сил
  14. Равновесие тела под действием пространственной системы сил
  15. Естественный способ задания движения точки
  16. Центр параллельных сил
  17. Параллельные силы
  18. Система произвольно расположенных сил
  19. Сосредоточенные силы и распределенные нагрузки
  20. Кинематика
  21. Кинематика твердого тела
  22. Движения твердого тела
  23. Динамика материальной точки
  24. Динамика механической системы
  25. Динамика плоского движения твердого тела
  26. Динамика относительного движения материальной точки
  27. Динамика твердого тела
  28. Кинематика простейших движений твердого тела
  29. Общее уравнение динамики
  30. Работа и мощность силы
  31. Обратная задача динамики
  32. Поступательное и вращательное движение твердого тела
  33. Плоскопараллельное (плоское) движение твёрдого тела
  34. Сферическое движение твёрдого тела
  35. Движение свободного твердого тела
  36. Сложное движение твердого тела
  37. Сложное движение точки
  38. Плоское движение тела
  39. Статика твердого тела
  40. Равновесие составной конструкции
  41. Равновесие с учетом сил трения
  42. Колебания материальной точки
  43. Относительное движение материальной точки
  44. Статические инварианты
  45. Дифференциальные уравнения движения точки под действием центральной силы и их анализ
  46. Динамика системы материальных точек
  47. Общие теоремы динамики
  48. Теорема об изменении кинетической энергии
  49. Теорема о конечном перемещении плоской фигуры
  50. Потенциальное силовое поле
  51. Метод кинетостатики
  52. Вращения твердого тела вокруг неподвижной точки

Центр тяжести (центр масс):

Любое твердое тело можно представить как состоящее из множества материальных точек, на каждую из которых действует сила тяжести.

Центр тяжести – геометрическая точка абсолютно твердого тела, через которую проходит равнодействующая всех сил тяжести, действующих на данное тело при любом его положении в пространстве.

На каждую точку тела в поле сил тяжести действует сила, а на все тело – равнодействующая этих сил. Точка приложения равнодействующей называется центром тяжести тела.

Центр масс (центр инерции) – точка, характеризующая распределение масс в теле или системе тел. Представляется она как материальная точка, в которой сосредоточена вся масса системы и на которую действуют все приложенные к системе  внешние силы.

При определенных условиях положение центра тяжести тела совпадает с положением центра его масс.

Положение центра масс тела в однородном поле тяжести совпадает с положением его центра тяжести.

При небольших размерах тел возле поверхности Земли поле сил тяжести можно считать однородным, а силы, действующие на каждую точку тела, – параллельными.

Чтобы сила тяжести не вызывала движения, необходимо соблюдать определенные условия.

 Положение центра масс тела в однородном поле тяжести | совпадает с положением его центра тяжести.

Если тело закреплено в одной точке, например подвешено или лежит на опоре и пребывает в покое, то центр тяжести и точка опоры лежат на одной вертикали: сила тяжести, действующая на тело, уравновешивается реакцией точки опоры.

Если тело закреплено в одной точке (подвешено или лежит на опоре) и пребывает в покое, то центр тяжести и точка опоры лежат на одной вертикали.

Рассмотрим примеры определения центра тяжести (центра масс) тел правильной несложной геометрической формы.

1. Найдем центр тяжести однородного стержня (рис. 2.48). Разделим стержень на несколько одинаковых небольших объемов (в нашем случае на пять слева и справа от середины стержня). Если добавить две параллельные силы, которые действуют на объемы 1 и 1′, то их равнодействующая будет расположена в точке О – середине стержня.

Центр тяжести в физике - формулы и определение с примерами

Аналогично и для пар сил 2-2′, 3-3′ и т. д. На основании этого можно сделать вывод: центр тяжести однородного стержня 99 расположен в точке О — середине стержня.

Центр тяжести однородного стержня расположен в середине стержня.

2. Пользуясь рассмотренным выше приемом, можно установить, что центр тяжести однородного круга совпадает с его центром (рис. 2.49).

Центр тяжести в физике - формулы и определение с примерами

Таким образом, в однородных телах, имеющих центр симметрии (прямоугольник или круглая пластинка, шар, цилиндр и т. д.), центр тяжести совпадает с центром симметрии. Центр тяжести может находиться и вне тела, например у кольца или спичечной коробки, мяча или пустого стакана.

Центр тяжести однородного круга совпадает с его центром.

Центр тяжести однородного треугольника находится в точке пересечения его медиан.

3. Найдем центр тяжести однородного треугольника (рис. 2.50), представим, что вся площадь треугольника поделена на узкие поло-
сы, параллельные любой из сторон треугольника, например АВ. Центр тяжести каждой такой полосы, как однородного стержня, находится в ее середине. Центр тяжести всего треугольника лежит где-то на медиане CD, которая проходит через середины всех отрезков, параллельных стороне АВ.

Если поделить треугольник на отрезки, параллельные стороне СВ, то с учетом предыдущих вычислений можно сделать вывод: центр тяжести треугольника будет лежать на медиане АЕ. На обеих медианах центр тяжести может лежать лишь в том случае, если он совпадает с точкой их пересечения О.

4. Чтобы найти центр тяжести плоской фигуры, надо ее подвесить за какую-нибудь точку 1; тогда фигура развернется так, что ее центр тяжести окажется на вертикали, которая проходит через точку подвеса (рис. 2.51).

Центр тяжести в физике - формулы и определение с примерами

Отметив направление этой вертикали, подвесим фигуру за другую точку 2. И в этом случае фигура развернется так, чтобы центр тяжести находился на вертикали, проходящей через новую точку подвеса. Отметим направление и этой вертикали.

Центр тяжести плоской фигуры расположен в точке О пересечения вертикалей, проведенных через две любые точки подвеса.

Когда нужно определить центр сил тяжести сложных фигур, необходимо исходить из того, что сила тяжести равна сумме сил тяжести частей тела и всегда приложена к центру этих сил.

  • Заказать решение задач по физике

Центр тяжести тела и центр масс тела

Когда мы рассматривали опыты с подвешенными телами, находящимися в равновесии, точка приложения сил натяжения была нам известна. А где приложена сила тяжести? В какой точке? Из этих опытов следует только то, что точка приложения силы тяжести при равновесии лежит на линии действия силы натяжения подвеса. Но это позволяет решить задачу о нахождении точки приложения силы тяжести экспериментальным путем. Если подвешивать плоское тело в разных точках (рис. 151), то линии действия сил натяжения пересекутся в одной точке С. Эта точка и будет точкой приложения силы тяжести. Она называется центром тяжести. Подобным образом можно определить положение центра тяжести не только плоского тела, но и любого другого.

Центр тяжести в физике - формулы и определение с примерами
Рис. 151

Очевидно, что положение центра тяжести тел правильной формы можно указать, не выполняя описанный опыт. Так, например, центр тяжести однородного шара находится в его геометрическом центре, поскольку любой диаметр является осью симметрии шара. Центр тяжести круглого диска также находится в его геометрическом центре, как и центр тяжести обруча или кольца, и т. д. Последний пример показывает, что центр тяжести тела может находиться вне тела.

Положение центра тяжести тела можно и вычислить. Предварительно рассмотрим следующий опыт. Пусть тело состоит из двух шаров массами m1 и m2, насаженных на стержень (рис. 152, а). Если масса стержня значительно меньше масс шаров, то ею можно пренебречь. На каждый из шаров действуют силы тяжести, приложенные в их центре тяжести. Для того чтобы система находилась в равновесии, призму надо расположить так, чтобы линия действия силы реакции призмы проходила через центр тяжести этой системы — точку С. В этом случае суммарный момент сил относительно точки C равен нулю, т. е. выполняется условие:

Центр тяжести в физике - формулы и определение с примерами

или

Центр тяжести в физике - формулы и определение с примерами
Следовательно, центр тяжести делит расстояние между двумя грузами в отношении, обратном отношению их масс. Соотношение (1) можно получить и иначе. Поскольку момент сил тяжести равен нулю, то он должен быть равен нулю и относительно любой горизонтальной оси, проходящей, например, через точку О. Иначе тело вращалось бы вокруг этой оси. Обозначим расстояние между точками C и О через а. Тогда алгебраическая сумма моментов всех сил, действующих на тело, относительно точки О примет вид:
Центр тяжести в физике - формулы и определение с примерами

Центр тяжести в физике - формулы и определение с примерами
Рис. 152

Поскольку F=(m1 + m2)g, то после несложных преобразований получим соотношение (1). Такой подход позволяет находить положение центра тяжести аналитически.

Направим ось Ox вдоль стержня (рис. 152, б). Выберем начало отсчета в произвольной точке О. тогда координаты точек приложения сил соответственно будут х1, хс и х2. Запишем условие моментов относительно точки О:

Центр тяжести в физике - формулы и определение с примерами

Отсюда

Центр тяжести в физике - формулы и определение с примерами

При выводе этой формулы было использовано значение силы F = (m1 + m2) g. Таким образом, центр тяжести этой системы тел отстоит от точки О на расстоянии хс, определенном формулой (2).

Напомним, что выражение (2) является следствием правила моментов при равновесии тела, но в правой части отсутствует ускорение свободного падения. В него входят только координаты центра тяжести тел и их массы, поэтому точка, координата которой определяется формулой (2), называется центром масс тела. Следует отметить, что центр масс и центр тяжести совпадают, если тело находится в однородном гравитационном поле.

Понятие центра масс является более общим, чем понятие центра тяжести. Центр масс является характеристикой тела или системы тел, важной не только для задач, где речь идет о силе тяжести, но и для решения других физических проблем.

Если произвольное тело можно разбить на n элементов, массы которых m1, m2…,    mn, и если известны координаты центров масс этих элементов x1, x2…,   xn относительно выбранной системы координат, то координата центра масс тела вычисляется по формуле:

Центр тяжести в физике - формулы и определение с примерами

Естественно, что такие же соотношения можно записать и для ус и zc. Для примера вычислим положение центра масс столярного угольника. Он состоит из деревянного бруска 1 и деревянной линейки 2, соединенных под прямым углом (рис. 153). Положим, что масса бруска 1 в два раза больше массы линейки (m1 = 2m2). Так как линейка и брусок — однородные параллелепипеды, то центры масс находятся в их геометрических центрах. Очевидно, что центр масс угольника находится где-то на линии, соединяющей центры масс бруска (C1) и линейки (C2).

Выберем наиболее оптимальным образом систему координат, как показано на рисунке. Тогда координаты центра масс бруска: х1 = 0, y1 =Центр тяжести в физике - формулы и определение с примерами, а координаты центра масс линейки: Центр тяжести в физике - формулы и определение с примерамиy2 = 0 .
По формуле (3):    .

Центр тяжести в физике - формулы и определение с примерами

Центр тяжести в физике - формулы и определение с примерами

Таким образом, центр масс угольника находится вне тела.

Главные выводы:

  1. Центр тяжести — точка, в которой приложена сила тяжести.
  2. Центр масс симметричных однородных тел находится в их геометрическом центре.
  3. Координаты центра масс тела можно вычислить по формуле (3).
  • Импульс тела в физике
  • Замкнутая система в физике
  • Реактивное движение в физике
  • Освоение космоса – история, этапы и достижения с фотографиями
  • Международная система единиц СИ
  • Математика – язык физики
  • Законы Ньютона в физике
  • Гравитационные силы в физике

В этой статье посмотрим, как определяются координаты центра тяжести сложной фигуры — состоящей из простых. В задачах по сопромату часто приходится находить положение центра тяжести составных сечений, для дальнейшего вычисления моментов инерции и т. д.

Также часто, при изучении теоретической механики, студентам предлагается решить подобную задачу, и найти центр тяжести какой-нибудь фигуры.

Условие задачи

Предлагаю рассмотреть следующую фигуру:

Фигура, состоящая из нескольких простых фигур

В сопромате принято заштриховывать сечения тонкими линиями, вот так:

Штриховка на сечении, состоящем из нескольких фигур

В своих же уроках я буду использовать заливку. Так, штриховка не будет мешать наносить обозначения.

Разбивка сложной фигуры на простые

Как видишь, сечение состоит из прямоугольника, прямоугольного треугольника, четверти круга, а также имеет круглый вырез:

Разбивка сложной фигуры на простые и нумерация фигур

Отметим центры тяжести (С1, С2, С3, С4) каждой отдельной фигуры, с учётом справочной информации.

Открой эту страничку, и пока не закрывай, она нам ещё понадобится!

Указание центров тяжести простых фигур

Покажем вспомогательные оси (x0, y0) для всего сечения, которые будем использовать для нахождения положения центра тяжести (C):

Введение вспомогательной системы координат для всего сечения

Как определить положение центра тяжести?

Чтобы определить координату центра тяжести сечения, например, вертикальное расстояние от оси x0 до центра тяжести сечения (yc):

Указание координаты от вспомогательной оси до центра тяжести

Нужно статический момент сечения относительно этой вспомогательной оси (x0) разделить на площадь всего сечения (A):

Площадь всего сечения (A) найти просто – это алгебраическая сумма площадей всех фигур:

Статический момент сечения, относительно вспомогательной оси будет равен алгебраической сумме статических моментов каждой фигуры (с учётом знака):

где Ai – площадь отдельной фигуры;
yi – расстояние от центра тяжести отдельной фигуры до вспомогательной оси (x0).

Координата центра тяжести (xc), находится аналогично:

Определение площади сечения

Для начала предлагаю сделать самое простое, используя формулы, указанные на этой странице, найти площадь всего сечения (A):

Сечение, для которого рассчитывается площадь

Как видишь, круглый вырез, нужно учесть с «минусом», что очевидно.

Определение расстояний от вспомогательных осей до центров тяжести отдельных фигур

Найдём расстояния от вспомогательных осей (x0, y0) до центров тяжести отдельных фигур, опять же, используя нашу шпаргалку:

Определение статических моментов

Определяем статические моменты сечения относительно вспомогательных осей (x0, y0):

Важно! Статические моменты могут быть и отрицательными.

Определение координат центра тяжести

И, наконец, определяем положение центра тяжести всего сечения (C):

Покажем центр тяжести всего сечения (C):

Указание найденного центра тяжести сечения

Если остались какие-то вопросы по данному уроку, можешь смело задавать их в комментариях. Также, другие уроки, на сайте – ssopromat.ru, по определению геометрических характеристик, можешь найти здесь.

Пример. Определить координаты центра
тяжести сечения, составленного из
прокатных профилей, как по­казано
на рис. 6, а. Сечение состоит из двутавровой
балки № 33,
швеллера № 27, двух уголков 90х56х6 и листа
сечением 12х180 мм.

Решение: 1 Разобьем
сечение на прокатные профили и
обозначим их 1,
2, 3, 4, 5.

  1. Пользуясь табл.
    2, 3 и 4 прил. I,
    укажем центры
    тяжести каждого
    профиля и
    обозначим их С1
    C2,
    C3,
    С4
    и С5.

  2. Выберем систему осей координатных. Ось
    у совме­стим с
    осью симметрии, а ось х
    направим
    перпендику­лярно
    оси у и
    проведем через центр тяжести двутавро­вой
    балки.

  3. Выпишем формулы для определения
    координат центра
    тяжести сечения:

хс=0,
так как ось у
совпадает с
осью симметрии;

Учитывая,
что А2=Аз,
а также, что у2
= уз, получим

Определим площади и координаты
центров тяжести отдельных
профилей проката, используя сечение и
табл.
2, 3 и 4 прил. I:

А1
=35,2 см
2;
А2
= А
3
=
8,54 см
2;
А
4
= 53,8см
2;
А5=
1,2
·18

=
21,6
см
2;

у1
= h
дв//2
+ d
шв
– z
0(шв)
= 33/2 + 0,6 – 2,7=14,63 см

у2
3=
h
дв//2
+ d
шв
– b
шв

+ z
0(уг)
= 33/2 + 0,6 – 9,5 + 1,28=8,88 см

у4
= 0, так
как ось х проходит через центр тяжести
двутавра;

у5
= – (hдв//2
– δлиста//2)=

= – 17,1 см.

Подставим
полученные значения в формулу для
оп­ределения
ус:

ус
=
см

укажем положение
центра тяжести сечения С (рис.6, а)

Проверка
решения. Проведем
ось х
по
нижней грани листа
(рис. 6, б).
Площади
профилей останутся теми же,
а координаты центров тяжести изменятся:

у1
=
δ
листа
+ h
дв
+ d
шв
— z
0(шв)
= 1.2 + 33 + 0,6

2,47 = 32,33 см;

у2
=
δлиста
+ h
дв
+ d
шв
– b
шв
— z
0(уг)
=
1,2
+ 33 + 0,6 —
9,5+
1,28 = 26,58 см;

у2
= у3
= 26,58 см;

у4=
δ
листа
+ h
дв/2
=

1.2 + 33/2 = 1,2 +16,5 = 17,7 см;

у5=
δлиста
/ 2
=
1,2/2 = 0,6 см.

Определим
положение центра тяжести в новой системе
координат



ус=
см

Разность
между координатами тяжести должна быть
равна расстоянию
между осями х в
первом и во втором решении:

20,3 —
2,33= 33/2 + 1,2

откуда 17,7 см
= 17,7 см.

Ответ:
ус
=
2,33 см, если ось х
проходит
через С4,
и ус
= 20,03
см, если ось х
проходит
по нижней грани

Рис.6

Пример.
Определить положение центра тяжести
(сечения,
состоящего из простых геометрических
фигур, (рис.
7,а).

Решение:
1. Разобъем
сечение на пять фигур: два
прямоугольника,
два треугольника и круг (рис. 7,б). Они
обозначены 1, 2,
3, 4, 5

2. Укажем
центры тяжести простых фигур С1,
С2,
Сз,
С4,
С5
в (рис.
7,
б).

3. Выберем
систему координат. Ось
х
проведем
через центр
тяжести С2
прямоуголь-ника, а ось у
совместим
с осью
симметрии сечения.

Рис.7

4.
Определим
координаты центра тяжести сечения.
Координаты
хс=0,
так
как ось у
совпадает
с осью сим­метрии.
Координату ус
определим
по формуле

Используя
прил. II,
определим площади фигур и ко­ординаты
центров тяжести:

А1
= 40 · 8 = 320 см2;
у1
=см;
А2=9
·42 = 378 см2,
у2=0

А34=см2;
у34=2/3
· 42 – ½ · 42 = 28 – 21 = 7 см

А5=см2;
у5=21
– 3= 18 см

Подставим
числовые значения в формулу для
опре­деления ус:

ус=

см

Для
проверки решения ось Х1
можно
провести по нижней
грани сечения. В этом случае ус
= 30,84 см. По­скольку
30,84—21=9,84 см, то решение верно.

Ответ:
ус=9,84
см, если ось х
проходит
через С2.

Задание
для расчетно-графической работы 3. Задача
1. Опреде­
лить
положение центра тяжести сечения,
состоящего из профилей
проката,
по данным одного из вариантов, показанных
на рис. 8.

Задача
2. Определить положение центра тяжести
сечения, со­
стоящего
из простых геометрических фигур, по
данным одного из
вариантов,
показанных на рис. 9

Рис.8

Рис.9

Практическая работа № 4

а) Построение эпюр продольных сил,
нормальных напряжений для ступенчатого
бруса, а также определение перемещения
свободного конца бруса;

б) Расчет на прочность: проверочный
расчет, проектный расчет, определение
допускаемой нагрузки.

Пример. Построить
эпюры продольных сил и нормальных
напря­жений
для бруса по рис. 10, а.

Решение. Делим брус по
длине на три участка (/, //, ///). Проведя
про­извольное сечение 1 — 1 на участке
I, отбросим верхнюю часть бруса
и рас-

Рис.10

смотрим равновесие
нижней части (рис. 10, б),
на которую
действуют внешняя сила Р1
= 24кН и искомая
продольная сила N1.
Составляем
уравнение равно­весия:

ΣΥ = — N1
+ P1
= 0, откуда N1
= P1==24
кН.

Продольная сила N1
на участке 1
постоянна и
является растягивающей (направлена
от рассматриваемого сечения). Проводим
сечение 2—
2 на
участке // и
рассматриваем равновесие нижней
отсеченной части (рис. 10, в),
на которую
действуют внешние силы Р1 и
Р2 и искомая продольная сила N11.
Составляем уравнение
равновесия:

ΣΥ = – N11
+ Р
1
+ Р
2
= 0
,

откуда NII
=
P1
+
P2
= 24 + 24 = 48
кН.

В сечениях
участка II
продольная
сила также растягивающая.

Наконец, проведя
сечение 3 — 3,
получаем, что
на нижнюю отсеченную часть
действуют три внешние силы Р1,
Р2
и Р3
и искомая
продольная сила NIII
(рис. 10, г).
Составляем
уравнение равновесия:

ΣΥ= -NIII
+ Р1
+ Р2
+ Р3
= 0, откуда NIII
=24 + 24+ 12 = 60 кН.

По полученным
величинам продольных сил строим их
эпюру (рис. 10, д). Положительные
ординаты эпюры откладываем вправо
от оси (базиса) эпюры. Нормальные
напряжения определяем по формуле σ
= N/
F:

на участке I
σ1
=

60·10
6
Н/м
2=
60 МН/м
2;

на
участке II
σII
=


120-106
Н/м2=
120
MH2

на участке III
σIII
=

150 · 10
6
Н/м
2=
150 МН/м
2.

По
полученным данным строим эпюру нормальных
напряжений (рис. 10, е).

Определить перемещение свободного
конца бруса можно используя закон Гука:

Задание для
расчетно-графической работы № 4. Построить
эпюры
продольных
сил и нормальных напряжений для
ступенчатого бруса, определить
перемещение
свободного конца бруса

по данным одного из вариантов, показанных
на рисунке 11. и
таблицы
2.


Рис.11

Таблица 2

п/п

Вариант

А1

см2

А2

см2

А3

см2

i

F1

кН

F2

кН

№ пп

Вариант

A1

см2

А2

см2

А3

см2

F1

кН

F2

кН

1

1

8

6

14

18

20

1

1

7

5

13

16

18

2

2

6

4

12

20

12

2

2

8

6

16

18

14

3

3

3

3

4

2

8

40

50

3

3

6

4

10

30

40

4

4

6

4

12

16

24

4

4

8

6

10

24

16

5

5

16

12

8

28

38

5

5

15

10

6

30

20

6

6

12

10

6

30

40

6

6

16

14

12

40

30

7

7

8

6

4

30

20

7

7

10

8

6

20

30

8

8

2

4

6

25

40

8

8

4

6

8

30

35

9

9

2,5

6

8

20

18

9

9

3

7

10

25

30

10

10

4,5

6

8

18

24

10

10

5

8

12

25

30

11

11

2

16

14

14

32

11

11

4

12

10

16

40

12

12

4,2

6,4

5

26

18

12

12

4

6

4,5

20

25

13

13

3

5

4

30

20

13

13

4

6

5

25

15

14

14

4

12

8

35

40

14

14

6

16

11

40

35

15

15

16

6

12

25

15

15

15

14

5

10

15

25

16

16

14

8

12

20

12

16

16

12

10

11

18

16

17

17

12

6

8

30

25

17

17

14

8

12

25

30

18

18

14

6

10

25

30

18

18

16

6

12

20

40

19

19

12

4

6

30

40

19

19

14

5

8

35

20

20

20

10

6

8 ‘

24

36

20

20

12

4

6

34

22

21

21

18

14

16

40

50

21

21

20

16

18

35

30

22

22

12

10

8

40

60

22

22

14

12

10

60

40

23

23

10

6

4

35

55

23

23

12

8

6

20

40

24

24

12

6

3

25

45

24

24

18

12

10

30

25

25

25

3

5

9

20

5

25

25

4

6

12

18

40

26

26

6

5

6

10

15

26

26

12

6

12

12

20

27

27

7

9

6

12

14

27

27

10

14

8

20

8

28

28

4

6

8

10

16

28

28

6

8

12

12

25

29

29

6

8

5

7

9

29

29

10

18

8

14

18

30

30

8

10

6

4

8

30

30

12

14

8

10

12

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #
  • #

Добавить комментарий