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
将 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
点 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 从 到 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。
令 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
将 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 到 。
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