Как найти положение центра тяжести пластины

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

Метод
симметрии.
При
определении центров тяжести широко
используется
симметрия тел. Для однородного тела,
имеющего плоскость
симметрии, центр тяжести находится в
плоскости сим­метрии.
Для однородного тела, имеющего ось или
центр симметрии, центр
тяжести находится соответственно на
оси симметрии или в центре
симметрии.

Метод
разбиения на части.
Некоторые
тела сложной формы можно
разбить на части, центры тяжести которых
известны. В таких случаях
центры тяжести сложных фигур вычисляются
по общим формулам,
определяющим центр тяжести, только
вместо элементар­ных
частиц тела берутся его конечные части,
на которые оно разбито.

Пример
1
. Определить
координаты центра тяжести однородной

пластины,
показанной на рис. 7.3. Все размеры показаны
на рисунке в сантиметрах.

Решение.
Проводим
оси координат и разбиваем пластину на
три прямоугольника
(линии разреза показаны пунктиром).
Вычислим координаты
центров тяжести ка­ждого из
прямоугольников и их площади:


.

Площадь
всей фигуры


.

Рис.
7.3

Тогда,


,


.

Найденное
положение центра тяжести совпадает с
точкой С
и показано
на рис. 7.3.

Метод
отрицательных масс
.
Проиллюстрируем этот метод на плоской
фигуре.

Пример
2. Определить положение центра тяжести
круглой пластины радиусом R
с вырезом радиуса r
(рис. 7.4). Расстояние

.

Решение.
Центр тяжести пласти­ны лежит на линии

— на оси сим­метрии. Проводим оси
координат, как показано на рис. 7.4.

Для
нахождения координаты

дополняем площадь пластины

до полного круга, затем вычитаем из
по­лученной площади площадь вырезан­ного
круга

.
Тогда


.

Рис.
7.4

Положение центра
тяжести вычислим по формуле

Найденный
центр тяжести лежит левее точки

.

4 Центры тяжести простейших тел

Дуга
окружности.

Центр тяжести находится на оси симметрии
дуги, которую примем за ось координат
Ох
(рис. 7.5). Координату центра тяжести дуги
АВ
вычисляем по формуле


.
(а)

Рис.
7.5

Дуга
окружности АВ,
равная L,
определяется радиусом R
и стя­гиваемым ее центральным углом
2а
В рассматриваемом случае


.

Подставляя эти
значения в формулу (а), получим


.

Таким
образом,

.

Центр
тяжести полукруга
.
Центр тяжести полукруга радиуса R
(pис. 7.6) находится на оси симметрии,
которую примем за ось Оу.
Координату центра тяжести полукруга
вычислим по формуле

Рис.
7.6


.

В
рассматриваемом случае


.

Имеем:


.

Подставляя
эти значения в формулу для вычисления
центра тя­жести
полукруга

,
получим:

Таким
образом,

.

5 Статические моменты и центр тяжести

Рассмотрим
плоскую фигуру площадью А
и
ограниченную некоторой
кривой (рис. 7.7) в прямоугольной системе
координат. Примем
плотность тела

,
т.е. тогда масса
любой части тела будет изме­ряться
ее площадью. Это всегда подразумевается,
когда говорят о статиче­ских
моментах. Выделим в плоскости фигуры
элемент площади dA
с
коор­динатами х
и
у
(pис.
7.7) и определим статические
моменты плоской фигуры, как
взятые по всей площади А
суммы
произведений
элементарных площадей dA
на
их расстояния х
и
у
до
осей Ох
и
Оу.
Итак,
статические моменты плоской
фигуры определяются как


.
(7.9)

Рис.
7.7

Статические
моменты обычно выражаются в см3
или м3.

При
параллельном переносе осей значения
статических момен­тов
не остаются постоянными, а изменяются
и могут иметь как положительное,
так и отрицательное значение. Следовательно,
существует
ось, относительно которой статический
момент равен нулю.

Ось,
относительно которой статический момент
равен нулю,
называется
центральной.

Точка
пересечения центральных осей является
центром
тяжести
сечения.

Если
известны статические моменты площади
фигуры относи­тельно
координатных осей, то координаты ее
центра тяжести можно определить
по формулам


,
(7.10)

где
А

площадь сечения.

Пример
3.
Вычислить
центр тяжести плоской фигуры, изобра­женной
на рис. 7.8.
Размеры
сечения на рисунке даны в сантиметрах.


Рис.
7.8

Решение.
Сечение
имеет ось симметрии. Поэтому определяем
только
координату


пользуясь
методом разбиения на части. Допол­ним
трапецию до треугольника abf
u
рассмотрим
заданное сечение, состоящее из
треугольников abf
(часть
1) и def
(часть
2) (рис. 7.8). При
вычислении статического момента площадь
треугольника def
следует
брать со знаком «минус», так как этот
треугольник является дополнением
к заданному сечению (трапеции).

Вычислим
центр тяжести по формулам (7.9).

Определим
статический момент трапеции относительно
оси Ох.



.

Площадь сечения


.

Тогда


.

Статический
момент

можно также определить как сумму
ста­тических
моментов составляющих ее частей
относительно той же оси
Ох.
Для
этого разобьем трапецию на два одинаковых
треуголь­ника
amd
(часть
1) и пbе
(часть
2) и прямоугольник mden
(часть
3) (рис. 7.8,
б)
и вычислим

Координата
центра тяжести


имеет
положительное значение, т.
к.

и, следовательно, должна быть отложена
по оси Оу
вверх.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

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

         Приведем пример
определения центра массы тела методом разделения его на отдельные тела, центры
масс которых известны.

Пример 1. Определить координаты центра массы однородной
пластины (рис.9). Размеры заданы в миллиметрах  на рисунке 9.

Решение:  Показываем оси координат  и
. Разбиваем пластину на части,
которые образованы тремя прямоугольниками. Для каждого прямоугольника проводим
диагонали, точки пересечения которых  и определяют положения центров массы
каждого прямоугольника. В  принятой системе координат несложно найти значения
координат этих точек. А именно:

(-1;
1), (1;5),(5;9).
Площади каждого тела соответственно равны:

 ; ;
.

Площадь всей пластины равна:

.

         Для определения
координат центра массы заданной пластины применяем выражения (21). Подставим
значения всех известных величин в  данном уравнении, получим

.

         Согласно полученных
значений координат центра массы пластины укажем точку С на рисунке. Как видно,
центр массы (геометрическая точка) пластины находится за ее пределами.

Способ дополнения. Этот способ есть частичным случаем способа
разделения. Он может применяться к телам, которые имеют вырезы (пустоты).
Причем, без  вырезанной части, положение центра массы тела известно. Рассмотрим
например применение такого  метода.

Пример 2. Определить положение центра массы веса круглой
пластины радиусом  R, в которой есть вырез радиусом  r (рис.10). Расстояние .

Решение: Как видим, из  рис.10 центр массы пластины лежит на
оси симметрии пластины, то есть на прямой ,
поскольку эта прямая есть осью симметрии. Таким образом, для определения
положения центра массы этой пластины необходимо определить только одну
координату , поскольку вторая координата  будет расположена на оси симметрии и
уравновешивает нулевые. Покажем оси координат , . Примем, что
пластина складывается из двух тел – из  полного круга (как будто без выреза) и
тела, которое как будто выполнено с вырезом. В принятой системе координат
координаты  для указанных тел будут равны: .Площади  тел равны: ; .
Общая  площадь всего тела будет равна разнице между площадями  первого и
второго тела, а именно

.

 Теперь,
 для определения неизвестной координаты центра массы заданной пластины
применяем первое уравнение выражения (21). Подставим значения всех известных
величин в это уравнение, получаем

.

Уважаемый посетитель!

Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).

Ссылка на скачивание — внизу страницы.

Виды равновесия. Центр тяжести

  1. Центр тяжести
  2. Виды равновесия
  3. Задачи
  4. Лабораторная работа №10. Определение центра тяжести тела

п.1. Центр тяжести

Центр тяжести– это точка, через которую проходит равнодействующая сил тяжести, действующих на тело при любом его положении.

Если точка опоры (или точка подвеса) совпадает с центром тяжести тела, то тело находится в равновесии.

Примеры центров тяжести тел

«Однородный» в данных примерах означает, что в телах нет уплотнений или полостей, их плотность везде одинакова.

п.2. Виды равновесия

Условия равновесия
Тело находится в состоянии равновесия, если:

  • сумма внешних сил, действующих на него, равна 0;
  • сумма моментов относительно любой оси вращения равна 0.

Для практических задач важно, как поведет себя тело при небольших отклонениях от положения равновесия: вернется в исходное состояние или нет.

С этой точки зрения, различают три вида равновесия.

п.3. Задачи

Задача 1. Однородная линейка подвешена на гвозде и находится в состоянии равновесия. Определите тип равновесия для каждого расположения точки подвеса C.

Задача 2. Однородный куб лежит на горизонтальной плоскости. На какой угол его нужно приподнять, чтобы опрокинуть через ребро?

Задача 2
На рисунке слева куб лежит на горизонтальной плоскости; сила тяжести (F_{text{т}}) направлена из центра тяжести перпендикулярно вниз, линия её действия проходит через центр площади опоры.

Приподнимем куб на ребре на угол меньше 45°. Линия действия силы тяжести (F_{text{т}}) сдвигается, но по-прежнему проходит через ту же плоскость опоры. Если отпустить куб, он станет вращаться. Ось вращения пройдет вдоль ребра, плечо силы тяжести (l) показано на рисунке. Момент силы тяжести направлен против часовой стрелки и вернет куб в исходное положение.

Если приподнять куб на ребре на угол α=45°, линия действия силы тяжести проходит через ребро. Вращающего момента нет, получаем неустойчивое равновесие.

Наконец, если приподнять куб на ребре на угол больше 45°, линия действия силы тяжести выйдет за исходную плоскость опоры. Если отпустить куб, он станет вращаться вокруг ребра. Момент сил тяжести направлен по часовой стрелке и перевернет куб на другую плоскость.
Ответ: на угол больше 45°.

п.4. Лабораторная работа №10. Определение центра тяжести тела

Цель работы
Научиться находить центр тяжести пластины неправильной формы методом подвешивания.

Теоретические сведения

При подвешивании пластины в какой-либо точке она будет поворачиваться до тех пор, пока не придет в положение устойчивого равновесия. В этом положении на нее действуют две силы: сила тяжести (overrightarrow{F_{text{т}}}), приложенная в центре тяжести и направленная вертикально вниз, и сила упругости (overrightarrow{F_{text{упр}}}), приложенная в точке подвеса и направленная вертикально вверх. Эти две силы уравновешивают друг друга, а значит, точка подвеса и центр тяжести лежат на одной вертикали. В противном случае, возникал бы момент сил, и пластина продолжила бы вращение, а не находилась бы в равновесии.

Расположение точки подвеса и центра тяжести на одной вертикали используется в методе подвешивания, который реализуется в три этапа:

Приборы и материалы
Картонная или пластмассовая пластина неправильной формы с тремя отверстиями, штатив, стержень, отвес (нить с грузом), карандаш.

Ход работы

1. Обозначьте отверстия на пластине A,B,C.
2. Закрепите стержень горизонтально в штативе и наденьте на него пластину, используя отверстие A.
3. Аккуратно подвесьте на тот же стержень отвес и отметьте карандашом на пластине точку A’ пересечения отвеса и нижнего края пластины.
4. Повторите опыт, надев пластину на стержень через отверстие B.
5. Снимите пластину, проведите линии AA’ и BB’ и на их пересечении отметьте центр тяжести – точку O=AA’∩BB’.
6. Проведите контрольный опыт, используя отверстие C. Проходит ли отвес через найденный центр тяжести?
7. Сделайте выводы о проделанной работе.

Результаты измерений и вычислений

Для данной пластины были получены следующие прямые, проходящие через центр тяжести.

При подвешивании за третье отверстие C в контрольном опыте вертикальная линия CC’ также прошла через точку O — центр тяжести пластины.

Выводы
На основании проделанной работы можно сделать следующие выводы.

Все прямые, проходящие после уравновешивания тела через любую точку подвеса вертикально вниз, пересекаются в одной точке – центре тяжести. На этом основан метод подвешивания.

Метод подвешивания можно использовать для определения центра тяжести тел неправильной формы, а также неоднородных тел (с пустотами или уплотнениями).

Определение координат центра тяжести фигур

Определение координат центра тяжести xC и yC 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).
    Определение координат центра тяжести разбиением

    Рисунок 1.8

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

  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):
    Метод отрицательных площадей или объемов

    Рисунок 1.9

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

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
Сложное сечение
Решение
Разделим заданное сечение на простые фигуры – прямоугольник, круг и прямоугольный треугольник.
Через нижнюю левую точку фигуры проведем координатные оси x и y.
Разбивка сечения
Рассчитаем необходимые для решения задачи площади A и координаты x,y центров тяжести Ci отдельных фигур:

Прямоугольник (фигура 1)
Площадь
A1=400×500=200000 мм2
Положение центра тяжести
x1=200мм
y1=250мм
Центры тяжести частей фигуры
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:
Расчет координат центра тяжести
Ответ: Таким образом, центр тяжести заданной фигуры находится в точке C с координатами xC=207,1мм, yC=271,7мм.
Координаты центра тяжести

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

Понравилась статья? Поделить с друзьями:
  • Как найти гистограмму в экселе
  • Как найти все плагины фл студио
  • Как найти папку виндовс на диске
  • Как найти историю улицы
  • Как найти боеукладку у танка