Общие формулы для координат центра тяжести

Лекция 9 ЦЕНТР ТЯЖЕСТИ

Рассмотрим тело, находящееся возле поверхности Земли. На каждую частицу этого тела действует сила притяжения, направленная по вертикали вниз и равная весу этой частицы (рис.9.1). Обозначим эту систему сил через р1, р2, …, рn. Строго говоря, данная система сил представляет собой систему сходящихся сил, так как они пересекаются в одной точке – центре земли.

 

Рис.9.1

Но так как расстояние до центра земли очень велико по сравнению с размерами тела, то с большой степенью точности можно считать, что все эти силы параллельны. Центр С этой системы параллельных сил называется центром тяжести данного тела, а равнодействующая этих сил , проходящая через точку С, представляет собой вес этого тела.

Найдем положение центра тяжести данного тела. Отнесем это тело к прямоугольной системе координат Охуz. Чтобы определить положение центра тяжести С, нужно найти его координаты, которые обозначим через хС, уС и zС. Так как центр тяжести есть центр параллельных сил, представляющих веса элементарных частиц этого тела, то координаты центра тяжести системы параллельных сил будут равны:

, , , где х, у и z обозначают координаты точек приложения рi.

Обозначим вес единицы объема данного тела через γ, а объемы элементарных частиц через . Если данное тело однородно, то величина γ будет для всех частиц одинакова, т.е. . Подставляя эти значения в предыдущие формулы, получим:

, где – объем тела.

Аналогично получим и для двух других координат:

,

Чтобы получить точные формулы для координат центра тяжести однородного тела, нужно перейти к пределу предполагая, что число составляющих тело частиц бесконечно, а объем каждой частицы стермится к нулю. Поэтому окончательно будем иметь:

, ,

Вычисление пределов сумм, входящих в полученные формулы производится методами интегрального исчисления.

1. Случай однородного твердого тела

 

2. Однородная плоская фигура (рис.19.2)

 

Рис.9.2

3. Однородная линия (рис.9.3)

 

Рис.9.3

 

Тройной интеграл вычисляется следующим образом:

Устанавливаем пределы интегрирования по оси z в виде уравнений поверхности и и интегрируем по направлению оси z:

, при интегрировании х и у рассматриваются как постоянные. Далее тройной интеграл может быть представлен в виде двойного, который приводится к повторному. Интегрируя сначала по у, а затем по х получим