Как найти центр тяжести техническая механика формула

Содержание:

Центр тяжести:

При рассмотрении движения тел, особенно таких, как самолеты, ракеты, космические корабли, важное значение имеет понятие центра тяжести.

Определения и формулы для вычисления центров тяжести

Для введения понятия центра тяжести разобьем мысленно рассматриваемое тело на достаточно большое число малых по сравнению с телом или элементарных его частей произвольной формы. Силу тяжести элементарной частицы тела с индексом

Радиус-вектор центра тяжести тела вычисляем как радиус-вектор центра параллельных сил (рис. 88) по формуле

где — радиус-вектор точки приложения силы тяжести элементарной части тела, принятой за точку; — сила тяжести элементарной частицы; — сила тяжести всего тела; — число частей, на которое мысленно разбито все тело. Центр тяжести является точкой приложения равнодействующей силы тяжести, если силы тяжести отдельных его частей считать системой параллельных сил.

Рис. 88

Если в (1) перейти к пределу, увеличивая число элементарных частей до бесконечности, то после замены  дифференциалом , а суммы — интегралом получим

где — радиус-вектор элементарной части тела, принятой за точку. В проекциях на оси координат из (1) и (1′) получаем:

где — координаты центра тяжести;  — координаты точки приложения силы тяжести .

Используя понятие центра тяжести тела, введем понятие его центра масс. Силы тяжести элементарных частей тела и всего тела можно выразить через их массы и и ускорение силы тяжести с помощью формул

Подставляя эти значения сил тяжести в (1) и (1′) после сокращения на , которое принимаем одинаковым для всех частей тела, имеем

и соответственно

По формулам (2) и (2′) определяют радиус-вектор центра масс тела. Центр масс обычно определяют независимо от центра тяжести как геометрическую точку, радиус-вектор, которой вычисляется по формулам (2) или (2′). В проекциях на оси координат из (2) и (2′) получаем:

и

где — координаты центра масс тела.

Для однородного тела силу тяжести элементарной частицы тела и ее массу можно вычислить по формулам

где  — объем элементарной частицы тела;  и  — соответственно удельный вес и плотность тела. Сила тяжести и масса всего тела

где — объем тела. Подставляя эти значения в (2) и (2′), после сокращения на  и  соответственно получим формулы

по которым определяют центр тяжести объема тела.

Если тело имеет форму поверхности, т. е. один из размеров мал по сравнению с двумя другими, как, например, у тонкого листа железа, то имеем

где — удельный вес; — площадь элементарной частицы поверхности; — площадь всей поверхности. После сокращения на  для однородной поверхности получим следующие формулы для определения центра тяжести ее площади:

Для однородных тел типа проволоки, у которых два размера малы по сравнению с третьим, можно определить радиус-вектор центра тяжести длины линии по формулам

где — длина элемента линии; —общая длина линии, центр тяжести которой определяется.

Методы определения центров тяжести (Центров масс)

Метод симметрии

При определении центров тяжести широко используется симметрия тел. Докажем, что для однородного тела, имеющего плоскость симметрии, центр тяжести находится в плоскости симметрии. Для доказательства выберем начало координат в плоскости симметрии тела и одну из осей координат, ось направим перпендикулярно плоскости симметрии, а две других оси расположатся в плоскости симметрии (рис. 89). Каждая частица массой , находясь по одну сторону плоскости симметрии, имеет симметричную частицу такой же массы по другую сторону этой плоскости. Координаты у симметричных частиц одинаковы при сделанном выборе осей координат, а координаты по оси отличаются только знаком. Для координаты центра масс имеем следующее выражение:

Разбивая сумму в числителе на две по симметричным частям тела, получаем, что

так как симметричные части тела 1 и 2 одинаковы.

Таким образом, центр масс расположен в плоскости симметрии и для его определения достаточно вычислить только две его координаты и в этой плоскости.

Аналогично доказывается, что для однородного тела, имеющего ось или центр симметрии, центр масс находится соответственно на оси симметрии или в центре симметрии.

Рис. 89

Метод разбиения на части (метод группировки)

Некоторые тела сложной формы можно разбить на части, центры тяжести которых известны или предварительно могут быть определены. В таких случаях центры тяжести сложных тел вычисляются по общим формулам, определяющим центр тяжести, только вместо элементарных частиц тела берутся его конечные части, на которые оно разбито. Покажем это на частном примере плоской фигуры, изображенной на рис. 90. Плоскую фигуру можно разбить на три части, центры тяжести которых , и известны. Они находятся на пересечении диагоналей прямоугольников. Их радиусы-векторы обозначим и площади . Общая площадь сложной фигуры будет .

Используя определение центра тяжести и производя группировку слагаемых под знаком суммы по частям фигуры, на которые она разбита, получим

Радиусы-векторы центров тяжести частей тела выразятся в такой форме:

или

Используя эти формулы для радиуса-вектора всей фигуры, имеем

Полученная формула имеет ту же структуру, что и формула, определяющая радиус-вектор центра тяжести тела при разбиении его на элементарные частицы, только в нее входят величины для конечных частей тела.

Рис. 90

Метод отрицательных масс

Видоизменением метода разбиения на части является метод отрицательных масс. Проиллюстрируем его тоже на примере плоской фигуры (рис. 91). Для определения центра тяжести этой фигуры ее можно разбить на три части. Можно поступить по-другому. Для этого дополним нашу фигуру до прямоугольника и примем, что этот прямоугольник с площадью  и центром масс полностью заполнен массой (имеет положительную площадь). На той части фигуры, которую добавили, следует распределить отрицательную массу (отрицательную площадь) той же плотности. Площадь этой фигуры с отрицательной массой обозначим , а ее центр масс — . Применяя метод разбиения на части, радиус-вектор заданной фигуры определим по формуле

В отличие от обычного метода разбиения на части в формуле (4) массы и, следовательно, площади входят со знаком минус.

Метод отрицательных масс особенно удобен при вычислении положения центров тяжести тел, имеющих отверстия.
 

 Рис. 91

Центры тяжести простейших тел

Для определения центров тяжести тел сложной формы методом разбиения на части или методом отрицательных масс необходимо уметь вычислять центры тяжести простейших тел, на которые разбивается тело сложной формы. Рассмотрим некоторые из тел, для определения центров тяжести которых известны простые способы их нахождения или вычисления по формулам.

Прямолинейный отрезок

Центр тяжести прямолинейного однородного отрезка располагается на его середине, а неоднородного— на самом отрезке и не может находиться вне отрезка.

Площадь треугольника

Для определения центра тяжести площади треугольника разобьем его прямыми линиями, параллельными одной из его сторон , на полоски, которые в пределе можно принять за прямолинейные отрезки (рис. 92). Центры тяжести отрезков и, следовательно, полосок находятся посередине полоски. Все они расположатся на медиане . В пределе центры тяжести полосок непрерывно покроют медиану, но не равномерно, так как площади полосок разные. В каждом центре масс полоски следует считать сосредоточенной массу или площадь этой полоски, пропорциональную длине полоски, если ширину полосок выбирать одинаковой.

Затем разобьем треугольник на полоски прямыми линиями, параллельными другой стороне треугольника. Центры их тяжести в пределе покроют неравномерно медиану . Центры тяжести неоднородных прямолинейных отрезков и должны располагаться на этих отрезках, а следовательно, в точке их пересечения , являющейся точкой пересечения медиан треугольника. Эта точка делит медианы в отношении 1 к 2, т. е. если длина медианы равна , то , .

Рис. 92

Дуга окружности

Дуга окружности  определяется радиусом и стягиваемым ею центральным углом (рис. 93). Она имеет ось симметрии, делящую угол пополам. Центр тяжести находится на оси симметрии дуги, которую примем за ось координат . Координату центра тяжести дуги вычисляем по формуле

Рис. 93

В рассматриваемом случае

Подставляя эти значения в формулу для , получим

Таким образом,

Для полуокружности . Приняв ,  получим:

Площадь кругового сектора

Центр тяжести площади кругового сектора с радиусом и центральным углом находится на оси симметрии, принимаемой за ось (рис. 94). Разобьем сектор на элементарные треугольники одинаковой величины. Центры тяжести треугольников в пределе при увеличении их числа до бесконечности равномерно покроют дугу окружности радиусом .

Рис. 94

Используя формулу для центра тяжести дуги окружности, получим

или

Для площади полукруга , . При  получим

Объем пирамиды и конуса

Определим положение центра тяжести объема конуса (рис. 95). Для простоты рассмотрим прямой конус, у которого высота является осью симметрии. Высотой конуса является отрезок, соединяющий его вершину с центром тяжести площади основания . Выберем начало координат в вершине конуса, а ось направим по оси симметрии конуса. Тогда центр тяжести объема конуса расположится на оси .

Разобьем конус плоскостями, перпендикулярными оси , на элементарные тонкие диски толщиной и площадью . Все полученные сечения (диски) конуса подобны его основанию. Координату  центра тяжести объема конуса вычислим по формуле

Отношения линейных размеров сечений к соответствующим размерам основания конуса пропорциональны их расстояниям до вершины конуса. Отношения площадей пропорциональны квадратам расстояний. Приняв , получим

Учитывая, что

имеем

или

Таким образом, центр тяжести прямого конуса находится на расстоянии  от вершины или от основания.

Рис. 95

Это справедливо для объема любого конуса и любой пирамиды, как прямых, так и наклонных, т. е. центр тяжести объема пирамиды или конуса находится на расстоянии  расстояния от центра тяжести площади основания до вершины.

Объем полушара

Полушар имеет ось симметрии, которую примем за координатную ось (рис. 96). Разобьем объем полушара на элементарные диски толщиной dx и радиусом у, который является координатой точки окружности, которая получилась от пересечения полушара с координатной плоскостью . Уравнение этой окружности

где — радиус полушара. Для координаты центра тяжести объема полушара имеем

где  — координата центра тяжести элементарного диска. Объем полушара

Объем элементарного диска

так как радиус диска . Выполняя интегрирование в пределах от до , получим

Таким образом, центр тяжести объема полушара находится от его центра на расстоянии

Это расстояние меньше половины радиуса полушара.

Рис. 96

Задача №1

Определить координаты центра тяжести площади плоской фигуры, имеющей размеры, указанные на рис. 97.

Рис.97

Рис. 98

Решение. Присоединим к заданной фигуре дополнительно полукруг 3 и разобьем полученную фигуру на прямоугольник 1 и треугольник 2. Получили три фигуры, две из которых имеют положительные площади (прямоугольник 1 и треугольник 2) и одна — отрицательную (полукруг 3). В выбранной системе координат для координат центра тяжести заданной фигуры имеем

где  — координаты центров тяжести отдельных фигур; — площади этих фигур.

Вычислим площади и координаты центров тяжести отдельных фигур, учитывая рис. 98 Имеем:

так как .

Подставляя полученные значения в (а), получим:

Центр тяжести плоской фигуры

постановка задачи. Найти площадь и координаты центра тяжести плоской фигуры.

План решения:

1.    Разбиваем фигуру на простые отдельные части, положение центров тяжести которых известны.

2.    Выбираем систему координат. Вычисляем площади и координаты центров тяжести отдельных частей. Площади вырезанных частей берем со знаком минус.

3.    Находим общую площадь фигуры по формуле

4.    Определяем координаты центра тяжести фигуры:

Задача №2

Найти площадь и координаты центра тяжести плоской фигуры. Криволинейный участок контура является половиной окружности с центром на оси Ох (рис. 74). Размеры на рисунке даны 

Решение

1. Разбиваем фигуру на простые отдельные части, положение центров тяжести которых известны.

Центр тяжести прямоугольника находится в его геометрическом центре, положение центра тяжести других фигур, встречающихся в задачах, изображено на рис. 75

Представляем фигуру в виде двух треугольников 1,2, прямоугольника 3 и выреза 4 в виде полукруга (рис. 76).

2. Вычисляем площадь (в ) и координаты центра тяжести (в м) каждого элемента:

Площадь выреза берем со знаком минус.

3.Площадь фигуры

4. Находим координаты центра тяжести всей фигуры:

Вычисления удобно свести в таблицу:

Сначала заполняем столбцы затем вычисляем статические моменты Внизу записываем суммы столбцов, необходимые для вычисления координат центра тяжести. Таким образом

Замечание 1. Большинство задач на определение центра тяжести допускает несколько способов разбиения фигуры. Это можно использовать для проверки решения. Второй вариант разбиения фигуры в данном примере состоит из прямоугольника 3 с размерами и вырезанных из него полукруга 4 и двух треугольников 1 и 2 (рис. 77).

Замечание 2. Решение задачи в системе Maple V методом контурного интегрирования.

• Заказать решение задач по теоретической механике

Пространственная стержневая система

Постановка Задачи. Найти координаты центра тяжести пространственной фигуры, состоящей из N однородных стержней.

План решения:

1. Разбиваем фигуру на отдельные стержни.

2. Выбираем систему координат. Вычисляем длины и координаты  центров тяжести отдельных стержней. Координаты центра прямолинейного однородного стержня вычисляем как полусумму координат его концов.

3. Находим суммарную длину стержней системы

4. Определяем координаты центра тяжести тела по формулам

Задача №3

Найти координаты центра тяжести пространственной фигуры, состоящей из шести однородных стержней (рис. 78). Даны размеры:

Решение

1. Разбиваем фигуру на шесть стержней.

2. Выбираем систему координат (рис. 78). Вычисляем длины и координаты центров тяжести отдельных стержней.

3. Находим суммарную длину стержней системы:

Промежуточные результаты удобно занести в таблицу:

4. Определяем координаты центра тяжести тела по формулам

Постановка задачи. Найти координаты центра тяжести однородного объемного тела.

План решения:

1. Разбиваем тело на простые части, положение центров тяжести которых известно.

2. Выбираем систему координат. Вычисляем объемы и координаты центров тяжести отдельных частей. Объемы вырезанных частей берем со знаком минус.

3. Находим общий объем тела по формуле

4. Определяем координаты центра тяжести тела:

Задача №4

Найти координаты центра тяжести однородного объемного тела (рис.79);

Решение

1. Разбиваем тело на пирамиду 1, параллелепипед 2 и половину цилиндра 3 (рис. 80).

2. Выбираем систему координат. Вычисляем объемы и координаты центров тяжестей отдельных частей. Центр тяжести пирамиды 1 лежит в точке

Центр тяжести параллелепипеда 2 совпадает с его геометрическим центром:

Объем половины цилиндра 3 берем со знаком минус:

где — расстояние по оси у от оси цилиндра до его центра тяжести .

3. Находим общий объем тела: 

В общем случае объем тела, лежащего в области можно найти, вычисляя тройной интеграл по области а координаты центра тяжести, например, однородного тела можно определить по формуле см.

4. Определяем координаты центра тяжести тела:

Центр тяжести

Центр тяжести — точка, через которую проходит линия действия равнодействующей элементарных сил тяжести. Он обладает свойством центра параллельных сил. Поэтому формулы для определения положения центра тяжести различных тел имеют вид:

Если тело, центр тяжести которого нужно определить, можно отождествить с фигурой, составленной из линий (например, замкнутый или незамкнутый контур, изготовленный из проволоки, как на рис. 173), то вес каждого отрезка можно представить в виде произведения

где d — постоянный для всей фигуры вес единицы длины материала.
После подстановки в формулы (1) вместо их значений постоянный множитель d в каждом слагаемом числителя и знаменателя можно вынести за скобки (за знак суммы) и сократить. Таким образом, формулы для определения координат центра тяжести фигуры, составленной из отрезков линий, примут вид:

Если тело имеет вид фигуры, составленной из расположенных различным образом плоскостей или кривых поверхностей (рис. 174),

то вес каждой плоскости (поверхности) можно представить так:

где — площади каждой поверхности, ар — вес единицы площади фигуры.

После подстановки этого значения в формулы (1) получаем формулы координат центра тяжести фигуры, составленной из площадей:

Если же однородное тело можно разделить на простые части определенной геометрической формы (рис. 175), то вес каждой части

где — объем каждой части, а у — вес единицы объема тела.

После подстановки значений в формулы (I) получаем формулы для определения координат центра тяжести тела, составленного из однородных объемов;

При решении некоторых задач на определение положения центра тяжести тел иногда необходимо знать, где расположен центр тяжести дуги окружности, кругового сектора или треугольника.

Если известен радиус дуги г и центральный угол 2а, стягиваемый дугой и выраженный в радианах, то положение центра тяжести С (рис. 176, а) относительно центра дуги О определится формулой

Если же задана хорда дуги, то в формуле (5) можно произвести замену

и тогда

В частном случае для полуокружности обе формулы примут вид (рис. 176, б)

Положение центра тяжести кругового сектора, если задан его радиус r (рис. 176, в), определяется при помощи формулы

Если же задана хорда сектора, то

В частном случае для полукруга обе последние формулы примут вид (рис. 176, г)

Центр тяжести площади любого треугольника расположен от любой стороны на расстоянии, равном одной трети соответствующей высоты.

У прямоугольного треугольника центр тяжести находится на пересечении перпендикуляров, восставленных к катетам из точек, расположенных на расстоянии одной трети длины катетов, считая от вершины прямого угла (рис. 177).

При решении задач на определение положения центра тяжести любого однородного тела, й составленного либо из тонких стержней (линий), либо из пластинок (площадей), либо из объемов, целесообразно придерживаться следующего порядка:

1. выполнить рисунок тела, положение центра тяжести которого нужно определить. Так как все размеры тела обычно известны, при этом следует соблюдать масштаб;
2. разбить тело на составные части (отрезки линий или площади, или объемы), положение центров тяжести которых определяется исходя из размеров тела;
3. определить или длины, или площади, или объемы составных частей;
4. выбрать расположение осей координат;
5. определить координаты центров тяжести составных частей;
6. найденные значения длин или площадей, или объемов отдельных частей, а также координат их центров тяжести подставить в соответствующие формулы и вычислить координаты центра тяжести всего тела;
7. по найденным координатам указать на рисунке положение центра тяжести тела.

Определение координат центра тяжести x_C и y_C плоских фигур нестандартной формы выполняется при решении задач для последующих расчетов остальных геометрических характеристик, например, таких как радиусы и осевые моменты инерции поперечных сечений.

Рассмотрим способы и пример определения координат положения центра тяжести фигуры нестандартной формы.

Способы определения координат центра тяжести

Способы определения координат центров тяжести твердых объёмных тел и плоских фигур можно получить исходя из полученных ранее общих формул для расчета положения центра тяжести.

Существует 5 способов расчета координат положения центра тяжести:

1. Аналитический (путем интегрирования).
2. Метод симметрии. Если тело имеет плоскость, ось или центр симметрии, то его центр тяжести лежит соответственно в плоскости симметрии, оси симметрии или в центре симметрии.
3. Экспериментальный. (метод подвешивания тела).
   Этот способ подходит в основном для плоских и линейных тел.
4. Разбиение. Тело или фигура разбивается на конечное число частей (простых тел или фигур), для каждой из которых положение центра тяжести C и площадь A известны.

   Например, проекцию тела на плоскость xOy (рисунок 1.8) можно представить в виде двух плоских фигур с площадями A₁ и A₂ (A = A₁+ A₂).
   

   Рисунок 1.8

   Центры тяжести этих фигур находятся в точках C₁(x₁, y₁) и C₂(x₂, y₂). Тогда координаты центра тяжести тела равны:
   

5. Дополнение (Метод отрицательных площадей или объемов).
   Это частный случай предыдущего способа разбиения. Он применяется к телам, имеющим вырезы, если центры тяжести тела без выреза и вырезанной части известны.

   Например, необходимо найти координаты центра тяжести плоской фигуры (рисунок 1.9):
   

   Рисунок 1.9

   Тогда координаты центра тяжести фигуры с отверстием можно определить по формулам:
   

При решении задач по определению координат центра тяжести плоских фигур и объемных тел применяются последние два способа (разбиение и дополнение).

Пример определения координат центра тяжести сложной фигуры в нашем коротком видео:

Другие видео

Пример определения координат центра тяжести плоской фигуры

Задача
Определить координаты центра тяжести плоской фигуры с круглым отверстием

Решение
Разделим заданное сечение на простые фигуры – прямоугольник, круг и прямоугольный треугольник.
Через нижнюю левую точку фигуры проведем координатные оси x и y.

Рассчитаем необходимые для решения задачи площади A и координаты x,y центров тяжести C_i отдельных фигур:

Прямоугольник (фигура 1)
Площадь
A₁=400×500=200000 мм²
Положение центра тяжести
x₁=200мм
y₁=250мм

Круг (2) (вычитаемая фигура)
Площадь
A₂=π×200²/4=31416 мм²
Центр тяжести
x₂=200мм
y₂=300мм

Прямоугольный треугольник (3)
Площадь
A₃=400*100/2=20000 мм²
Положение центра тяжести треугольника находится на пересечении его медиан (на расстоянии 1/3 высоты от основания или 2/3 высоты от его вершин)
x₃=400×2/3=266,7мм
y₃=500+100×1/3=533,3мм

Координаты x и y центра тяжести C всей плоской фигуры определим по формулам:

Ответ: Таким образом, центр тяжести заданной фигуры находится в точке C с координатами x_C=207,1мм, y_C=271,7мм.

Другие примеры решения задач >
Центры тяжести простейших фигур >

Сохранить или поделиться с друзьями

Вы находитесь тут:

На нашем сайте Вы можете получить решение задач и онлайн помощь

Подробнее

1. Центр тяжести.

Сила тяжести
–
равнодействующая сил притяжения к
Земле, она распределена

по всему объёму
тела. Силы притяжения, приложенные к
частицам твёрдого

тела, образуют
систему сил, линии, действия которых
сходятся в центре

Земли. Поскольку
радиус Земли значительно больше
размеров любого

земного тела,
силы притяжения можно считать
параллельными.

Рис. 1.48

Для определения
точки приложения силы тяжести
(равнодействующей параллельных сил)
используем теорему Вариньона о моменте
равнодействующей:

Момент равнодействующей
относительно оси равен алгебраической
сумме моментов сил системы относительно
этой оси.

Изображаем тело,
составленное из нескольких частей
– силы тяжести частей, приложены в центрах
тяжести частей.

Пусть равнодействующая
(сила тяжести всего тела) – приложена
в неизвестном пока центре .

– координаты центра тяжести .

– координаты центров тяжести частей
тела.

Рис. 1.49

Из теоремы Вариньона
следует:

В однородном
теле сила тяжести пропорциональна
объёму :

,

– вес единицы объёма

Следовательно, в
формулах для однородных тел:

– объём элемента тела

– объём всего тела

Центр тяжести
однородных плоских тел (плоских фигур).

Для плоских тел
можно записать:

,
где
– площадь фигуры,
– её высота.

Тогда после
подстановки в записанные выше формулы
получим

– площадь части сечения

– координаты центра тяжести частей
сечения

Выражение
–
называют статическим моментом площади
относительно оси y.

Аналогично
–
статический момент относительно оси
х.

Тогда координаты
центра тяжести сечения можно выразить:

Оси, проходящие
через центр тяжести, называются
центральными. Статический момент
относительно центральной оси равен
нулю.

Положение центра
тяжести простых геометрических фигур:

Рис.1.50

При решении задач
необходимо учесть:

1. Центр тяжести
симметричных фигур находятся на оси
симметрии.

2. Сложные сечения
разделяем на несколько простых.

3. Полости
(отверстия)рассматриваются как часть
сечения с отрицательной площадью.

Пример.
Необходимо определить центр тяжести
представленного сечения.

Рис.1.51

Разбиваем сечение
на простейшие геометрические фигуры
(прямоугольник, треугольник, половина
круга).

Площадь прямоугольника

Площадь треугольника

Площадь половины
круга

Центр тяжести:

прямоугольника

треугольника

половины круга

Положение центра
тяжести, представленного сечения
определяем по формуле

.

.

Раздел второй кинематика.

1. Введение

Кинематикой
называется раздел механики, в котором
изучается движение материальных точек
и тел в пространстве с геометрической
точки зрения, вне связи с силами,
определяющими это движение.

Мы будем изучать
простейшую форму движения – механическое
движение, то есть происходящее во времени
изменение положения одного тела
относительно другого, с которым связана
система координат, называемая системой
отсчета. Эта система может быть как
движущейся, так и условно неподвижной.
Рассматривая движение, мы связываем
изменение положения тела с течением
времени. При изучении движения всегда
устанавливаем начало отсчета времени
.

Непрерывную
кривую, которую описывает точка при
своем движении, называют траекторией.
Если траектория движения – прямая
линия, то движение называется прямолинейным,
если кривая – криволинейным.

Раздел 1. Теоретическая
механика

Тема 1.7. Центр параллельных
сил и центр тяжести

Цель: Изучение способов определения
координат центра параллельных сил и центра тяжести плоских фигур.

Задачи:

1.    
Научиться определять координаты центра параллельных
сил и координаты центра тяжести плоских фигур

2.    
Совершенствовать умение применять основные термины
и формулы на практике.

3.    
Способствовать пониманию
сущности и социальной значимости своей будущей профессии, проявлению к ней
устойчивого интереса.

Информационное
обеспечение:

Основная
литература:

1.    
Олофинская В.П. Техническая механика. Курс лекций с
вариантами практических и тестовых заданий. – М.: ФОРУМ-ИНФРА-М, 2013.

2.    
Сафонова Г.Г., Артюховская Т.Ю., Ермаков Д.А.
Техническая механика. – М.: ИНФРА-М, 2013.

Дополнительная
литература:

1.    
Аркуша
А.И., Фролов М.И. Техническая механика. – М.: Высшая школа, 1983.

2.    
Аркуша
А.И. Руководство к решению задач по теоретической механике. – М.: Высшая 
школа, 1976.

3.    
Эрдеди
А.А., Медведев Ю.А., Эрдеди Н.А. Техническая механика. – М.: Высшая школа,
1991.

Интернет-ресурсы:

http:/antigtu.ru/video–l–p/ – 
видеолекции по теоретической механике, по деталям машин; электронные лекции по
механике и сопромату; готовые решения задач из различных задачников.

Содержание

1.    
Параллельные силы и  центр параллельных сил

2.    
Центр тяжести твердого тела

3.    
Методика решения задач по определению координат
центра тяжести плоских фигур

4.      
 

1.    
Параллельные силы и  центр параллельных сил

Для системы параллельных сил (рисунок 1) существует
аксиома: если все силы повернуть на угол α, то равнодействующая R так же
повернется на угол α, центр параллельных сил своего  положения не изменит.

Рисунок 1. Система
параллельных сил

F₁ F₂ F₃ –  параллельные силы, С₁ С₂ С₃
– точки приложения этих сил.

R – равнодействующая, С – центр параллельных
сил (точка приложения равнодействующей)

Данное правило применяем для определения центра
параллельных сил предварительно рассмотрев теорему Вариньона.

Теорема Вариньона

Момент равнодействующей системы параллельных сил
относительно какой – либо точки равен сумме моментов всех сил относительно этой
же точки.

Вывод формулы определения координат центра
параллельных сил.

Рассмотрим систему параллельных сил F₁, F₂, F₃ (рисунок 2)

 

Рисунок 2.
Система параллельных сил

F1 F2 F3 – 
параллельные силы, С₁ С₂ С₃ –  точки
приложения сил,

 Х₁ Х₂
Х₃ – координаты точек С₁ С₂ С₃,
R – равнодействующая, С – точка приложения равнодействующей, Х_С –
координата центра параллельных сил.

Применяя аксиому параллельных сил, повернем все силы на
угол α параллельно оси У, сохраняя их параллельность.

Применяя теорему Вариньона, запишем следующее
уравнение относительно точки О.

Таким же образом
выводим уравнение для координаты Yc.

– уравнения для определения координат
центра            параллельных сил

2.    
Центр тяжести твердого тела

Центром тяжести тела называется
центр параллельных сил тяжести всех элементарных частиц тела.

Центр тяжести есть геометрическая
точка, которая может лежать вне тела (например: кольцо, цилиндр с отверстием).

Центр тяжести применяется
при исследовании устойчивости положений равновесия тел и сплошных сред,
находящихся под действием сил тяжести; в сопротивлении материалов и в
строительной механике.

Рассмотрим твердое тело на примере плоской фигуры. На это
тело действует сила тяжести. Разобьем фигуру на элементарные площади. В каждой
элементарной площади (рисунок 3) будет действовать сила тяжести F_Ti, которая будет приложена в центре тяжести. Силы тяжести всех
элементарных площадей образуют систему параллельных сил. Поэтому для
определения координат центра тяжести в уравнениях (1) и (2) для х_с
и у_с силы F_i заменяем
на F_Ti.

Рисунок 3.
Плоская фигура

А_{i –} элементарная площадь

С_i – центр тяжести элементарной площади

х_i у_i – координаты центра тяжести площади  А_i

Получим

В данных формулах заменим F_Ti следующими
произведениями.

После подстановки и преобразований получим

где X_c и Y_c
– координаты центра тяжести сложной плоской фигуры.

Для однородного тела положение
центра тяжести тела не зависит от материала, а определяется геометрической
формой тела.

Для простых плоских фигур положение центра
тяжести можно определить по несложным формулам (рис.4).

Рисунок 4. Формулы расчета координат центра тяжести и
площадей основных плоских фигур

3. Методика решения задач по определению
координат центра тяжести плоских фигур

Существует несколько способов определения центра тяжести
тел:

1)               
Симметрия. Если тело имеет центр симметрии,
то центр тяжести находится в центре симметрии.
Если тело имеет плоскость симметрии, например,
плоскость ХОУ,  то  центр тяжести лежит в этой плоскости.

2)               
Разбиение. Для тел, состоящих из простых по
форме тел, используется способ разбиения. Тело разбивается на части, центр
тяжести которых находится методом симметрии. Центр тяжести всего тела
определяется по формулам центра тяжести объема (площади).

3)               
Дополнение. Этот способ является частным
случаем способа разбиения. Он используется, когда тело имеет вырезы, срезы и
др., если координаты центра тяжести тела без выреза известны.

4)               
Интегрирование. Если тело нельзя разбить на
конечное число частей, положение центров тяжести которых известны, тело
разбивают на произвольные малые объемы , и выполняют интегрирование по объему. 

5)               
Экспериментальный
способ. Центры
тяжести неоднородных тел сложной конфигурации можно определять
экспериментально: методом подвешивания и взвешивания. Первый способ
состоит в том, что тело подвешивается на тросе за различные точки. Направление
троса, на котором подвешено тело,  будет давать направление силы тяжести.
Точка пересечения этих направлений определяет центр тяжести тела.
Метод взвешивания состоит в том, что сначала определяется вес тела, например
автомобиля. Затем на весах определяется давление заднего моста автомобиля на
опору. Составив уравнение равновесия относительно какой- либо точки, например
оси передних колес, можно вычислить расстояние от этой оси до центра тяжести
автомобиля (рис. 5).

Рисунок 5. Схема метода взвешивания автомобиля

6)               
Иногда при
решении задач следует применять одновременно разные методы определения
координат центра тяжести.

Для решения задач по определению координат центра тяжести
плоской фигуры сложной конфигурации применяем следующую методику:

1.    
Сложную фигуру разбиваем на простые фигуры,
нумеруем их

2.    
Для каждой простой фигуры определяем центр тяжести
и его обозначаем

3.    
Выбираем оси координат

4.    
Относительно этих осей координат определяем
координаты центра тяжести каждой простой фигуры

5.    
Составив уравнения, решаем задачу по определению координат
центра тяжести сложной фигуры.

6.    
При решении задач
необходимо помнить, если фигура имеет вырез или отверстие, то в уравнениях для X_c, Y_c площадь выреза (отверстия) ставится со знаком
(–)

Задача. Определить координаты
центра тяжести (X_c, Y_c) сложной фигуры (рис.6)

Рисунок 6.
Сложная фигура

С, С₁
и С₂ – центры тяжести сложной фигуры, первой и второй простой фигуры
соответственно

Центр тяжести плоской фигуры – точка C с координатами (x_c = 3; y_c=7 ).

Контрольные вопросы

1.    
Как формулируется аксиома для системы параллельных
сил?

2.    
Как формулируется теорема Вариньона?

3.    
Что такое центр параллельных сил и каково его
свойство?

4.    
Что такое центр тяжести тела?

5.    
Изменится ли положение центра тяжести тела от
поворота этого тела на некоторый угол?

6.    
Какова формула для определения координат центра
параллельных сил?

7.    
Как найти координаты центра тяжести кольца?

8.    
По какой формуле можно определить координаты центра
тяжести сложной плоской фигуры?