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060 矩和质心 Moments and Centers of Mass

直线上的质量

如下图所示。三个质量 的物体在一条直线上。支点位于原点。

力矩是 一般地,力矩逆时针为正,顺时针为负。系统力矩是 去掉 称为系统的矩。 通常,存在一个点 使得系统的矩为零。

关于 的系统的力矩是 现在求 称为质心。

细线

如果一条细线不均匀。

其中很短的一段长度 ,质量是 ,线密度是 这里就不再给出具体推导。质量、矩和质心分别是

例1 求一段线密度为 的细线的质心。
解:质量是 矩是 所以质心是

平面上的质量分布

如下图所示,点 处的质量是 ,那么系统质量是
每一个质量 关于每个轴有对应的矩。关于 轴是 ,关于 轴是 ,那么系统的矩是 系统质心的 坐标是 系统关于 平衡。如下图所示。

同样地,系统质心的 坐标是 系统关于 平衡。质量力矩左右抵消,仿佛质量集中于点 ,这就是系统的质心。

薄的平板

如下图所示,我们把平板分割成若干条带子。带子的质心位于 ,即带子的质量 都集中于

关于 轴的矩是 ,关于 轴的矩是 。所以质心位于 随着带子的宽度越来越小,黎曼和的极限就是定积分。所以

微分 是这些带子的质量,比如平面密度 是常数或者是 的连续函数,那么 ,其中 是带子的面积。

例2 如下图所示,三角形的平面密度是常量 ,求
(a)关于 轴的矩
(b)平面质量
(c)质心的 坐标

解:方法一,垂直划分带子。

(a)每条带子的质心是 长度是 宽度是 面积是 质量是 带子关于 轴的矩是 积分 (b)质量是 (c)质心的 坐标是 方法二,水平划分带子。

(a)带子在 轴上的质心是 带子在 轴的左边界是 ,有边界是 ,所以 如图带子的长度是 宽度是 面积是 质量是 那么带子关于 的矩是 求积分 (b)平面质量是 (c)质心的 坐标是

如果质量分布关于某个轴对称,那么质心在这条轴上。如果关于两条轴对称,那么质心的两条轴的交点处。这可以用于简化计算。

例3 如下图所示。平面是由 轴和 围成的。平面密度 。求质心。

解:平面和密度分布关于 轴对称,所以 。垂直划分。所以带子的质心是 长度是 宽度是 面积是 质量是 关于 轴的矩是 积分 质量是 质心的 坐标是

两条曲线围成的平板

假设一个区域由 围成,其中 。如下图所示。

垂直划分的带子的重心是 长度是 宽度是 面积是 质量是 平板关于 轴的矩是 关于 轴的矩是 所以质心的坐标是

例4 求由曲线 围成的平板(如下图所示)的质心,平面密度

解:首先计算质量。,积分 那么

形心

例4 的重心不在其几何中心上,原因是密度分布不均匀。当密度是常量时,重心 就是几何中心,也称为形心(centroid)。通常,我们令 为零计算形心。

例5 半径为 的半圆,线密度为常量 ,求质心(形心)。
解:半圆的函数是 。如下图所示。质量分布关于 轴对称,所以 。为了求 ,我们把图像切割成若干个小的弧线。令角 对应的一小段弧的重心是 ,那么 。一小段弧对应的角度是 ,那么弧长是

质量是 因此 那么重心在 ,大约在原点向上三分之二处。如下图所示。上面的推导过程中,分子分母上的 抵消了,所以我们可以令 来解决

流体力学与形心

如下图所示。如果我们知道一个平板的形心,那么有简便方法计算平板某一面在液体中的压力。结合上一节中的压力公式和关于 轴的矩的定义,我们有
上式积分式子就等价于平板关于液体平面的矩,即面积乘以形心深度。所以一个面积为 的平板垂直浸入在密度 的液体中,形心距离表面 ,那么平板一个面受到的力

例6 上一个节中的例6,一个等腰三角形底长 2m,高 1m,浸入水中,底平行于水面向上,距离水面 0.6m,三角形顶点在原点。求压力。
解:等腰直角三角形的形心在距离底三分之一处,那么形心坐标 ,那么 。面积 所以

帕普斯定理

四世纪的古希腊人帕普斯(Pappus)发现两条定理,将形心与旋转体的体积和表面积联系了起来,可以容易的计算体积和表面积。

定理1 - 帕普斯体积定理
如果一个区域绕着某个不相交的轴旋转,其体积等于区域的面积乘以形心旋转走过的距离。如果用 表示形心距离旋转轴的距离,那么

证明:如下图所示,区域 绕着 轴旋转。

是水平带子的长度,假设其连续。我们使用圆柱壳法求体积。 的形心的纵坐标是 所以 换成 即为前面的公式。

例7 半径为 的圆,绕着距离圆心 的轴旋转。求体积。

解:应用帕普斯定理。面积 ,圆心就是圆的形心,所以 ,所以

下一个例子说明如何利用这个定理求形心,前提是其面积和体积很容易得到。

例8 求半径为 的半圆的形心。

解:如上图所示。半圆函数是 ,绕着 轴旋转得到了一个球体。由于半圆关于 轴对称,所以形心的 。利用帕普斯定理求

定理2 - 帕普斯表面积定理
一曲线长 ,绕与曲线不相交的轴旋转得到一个图形,其表面积等于曲线长乘以形心旋转走过的距离。

证明:如下图所示。曲线横坐标从

通过积分计算表面积 曲线的形心的纵坐标是 所以

例9 求例7 中甜甜圈的表面积。
解:周长 ,形心到轴的距离 ,所以