Центр масс

В этой игрушке используется принцип центра масс, чтобы сохранять равновесие при сидении на пальце.

В физике центр масс распределения массы в пространстве (иногда называемый барицентром или точкой баланса ) — это уникальная точка в любой момент времени, где взвешенная относительная позиция распределенной массы равна нулю. Это точка, к которой можно приложить силу, чтобы вызвать линейное ускорение без углового ускорения . Расчеты в механике часто упрощаются, если формулируются относительно центра масс. Это гипотетическая точка, в которой можно предположить, что вся масса объекта сконцентрирована, чтобы визуализировать его движение. Другими словами, центр масс — это частица, эквивалентная данному объекту для применения законов движения Ньютона .

В случае одного твердого тела центр масс фиксирован по отношению к телу, а если тело имеет однородную плотность , то он будет расположен в центроиде . Центр масс может располагаться вне физического тела , как это иногда бывает с полыми предметами или предметами открытой формы, такими как подкова . В случае распределения отдельных тел, например планет Солнечной системы , центр масс может не соответствовать положению какого-либо отдельного члена системы.

Центр масс является полезной отправной точкой для расчетов в механике , которые включают массы, распределенные в пространстве, такие как линейный и угловой момент планетарных тел и динамика твердого тела . В орбитальной механике уравнения движения планет формулируются как точечные массы, расположенные в центрах масс ( см. Барицентр (астрономия) подробнее ). Система центра масс — это инерциальная система отсчета , в которой центр масс системы покоится относительно начала системы координат .

История [ править ]

Понятие центра тяжести или веса широко изучалось древнегреческим математиком , физиком и инженером Архимедом Сиракузским . Он работал с упрощенными предположениями о гравитации, которые сводятся к однородному полю, и таким образом пришел к математическим свойствам того, что мы теперь называем центром масс. Архимед показал, что крутящий момент, действующий на рычаг со стороны гирь, покоящихся в различных точках рычага, такой же, каким он был бы, если бы все гири были перемещены в одну точку — их центр масс. В своей работе «О плавучих телах » Архимед продемонстрировал, что ориентация плавающего объекта — это такая, при которой его центр массы оказывается как можно ниже. Он разработал математические методы нахождения центров масс объектов одинаковой плотности различной четко определенной формы. [1]

Среди других древних математиков, внесших вклад в теорию центра масс, — Герой Александрийский и Папп Александрийский . В периоды Возрождения и раннего Нового времени работы Гвидо Убальди , Франческо Мауролико , [2] Федерико Коммандино , [3] Евангелиста Торричелли , Саймон Стевин , [4] Лука Валерио , [5] Жан-Шарль де ла Фай , Поль Гульден , [6] Джон Уоллис , Христиан Гюйгенс , [7] Луи Карре , Пьер Вариньон и Алексис Клеро еще больше расширили концепцию. [8]

Второй закон Ньютона переформулирован относительно центра масс в первом законе Эйлера . [9]

Определение [ править ]

Центр масс — это уникальная точка в центре распределения массы в пространстве, которая обладает тем свойством, что сумма взвешенных векторов положения относительно этой точки равна нулю. По аналогии со статистикой, центр масс — это среднее расположение распределения массы в пространстве.

Система частиц [ править ]

В случае системы частиц i , i = 1, ..., n , каждая из которых имеет массу m i , расположенных в пространстве с координатами r i , i = 1, ..., n , координаты R P центр масс удовлетворяет условию

Решение этого уравнения для R дает формулу

Непрерывный объем [ править ]

Если распределение массы непрерывно с плотностью ρ( r ) внутри твердого тела Q , то интеграл от взвешенных координат положения точек в этом объеме относительно центра масс R по объему V равен нулю, т.е.

Решите это уравнение для координат R, чтобы получить

Где М – общая масса в объеме.

Если непрерывное распределение массы имеет однородную плотность , что означает, что ρ постоянно, то центр массы совпадает с центроидом объема. [10]

Барицентрические координаты [ править ]

Координаты R центра масс двухчастичной системы P 1 и P 2 с массами m 1 и m 2 определяются выражением

Пусть процент общей массы, разделенный между этими двумя частицами, изменяется от 100 % P 1 и 0 % P 2 через 50 % P 1 и 50 % P 2 до 0 % P 1 и 100 % P 2 , тогда центр масс R движется по линии от P 1 к P 2 . Проценты массы в каждой точке можно рассматривать как проективные координаты точки R на этой линии и называются барицентрическими координатами . Другой способ интерпретации процесса здесь — механическое уравновешивание моментов относительно произвольной точки. В числителе указан общий момент, который затем уравновешивается эквивалентной полной силой в центре масс. Это можно обобщить до трех и четырех точек для определения проективных координат на плоскости и в пространстве соответственно.

Системы с периодическими граничными условиями [ править ]

Для частиц в системе с периодическими граничными условиями две частицы могут быть соседями, даже если они находятся на противоположных сторонах системы. Это часто происходит молекулярной динамики , например, при моделировании , когда кластеры образуются в случайных местах, а иногда соседние атомы пересекают периодическую границу. Когда скопление выходит за периодическую границу, наивный расчет центра масс будет неверным. Обобщенный метод расчета центра масс периодических систем заключается в том, чтобы рассматривать каждую координату x , y и/или z так, как если бы она находилась на круге, а не на линии. [11] каждой частицы При расчете берется координата x и сопоставляется с углом:

где x max — размер системы в направлении x и . С этой точки зрения два новых момента могут быть сгенерированы, которые могут быть взвешены по массе частицы для центра масс или при значении 1 для геометрического центра:

В плоскости эти координаты лежат на окружности радиуса 1. Из набора и значения всех частиц, средние значения и рассчитываются.

где М — сумма масс всех частиц.

Эти значения отображаются обратно под новым углом, , из которого можно получить координату x центра масс:

Этот процесс можно повторить для всех размеров системы, чтобы определить полный центр масс. Полезность алгоритма заключается в том, что он позволяет математике определить, где находится «лучший» центр масс, вместо того, чтобы гадать или использовать кластерный анализ для «развертывания» кластера, пересекающего периодические границы. Если оба средних значения равны нулю, , затем является неопределенным. Это правильный результат, потому что он возникает только тогда, когда все частицы расположены на одинаковом расстоянии друг от друга. В этом состоянии их координаты x математически идентичны в периодической системе .

Центр тяжести [ править ]

Схема развивающей игрушки, балансирующей на точке: центр масс (С) располагается ниже ее опоры (Р)

Центр тяжести тела — это точка, вокруг которой результирующий крутящий момент сил гравитации исчезает. Если гравитационное поле можно считать однородным, центр масс и центр тяжести будут одинаковыми. Однако для спутников, находящихся на орбите вокруг планеты, в отсутствие других крутящих моментов, приложенных к спутнику, небольшое изменение (градиент) гравитационного поля между ближними и дальними от планеты (более сильная и слабая гравитация соответственно) может привести к к крутящему моменту, который будет стремиться выровнять спутник так, чтобы его длинная ось была вертикальной. В таком случае важно различать центр тяжести и центр масс. Любое горизонтальное смещение между ними приведет к приложению крутящего момента.

Центр масс является фиксированным свойством данного твердого тела (например, без выплескивания или сочленения), тогда как центр тяжести может, кроме того, зависеть от его ориентации в неоднородном гравитационном поле. В последнем случае центр тяжести всегда будет расположен несколько ближе к основному притягивающему телу по сравнению с центром масс и, таким образом, будет менять свое положение в интересующем теле при изменении его ориентации.

При изучении динамики самолетов, транспортных средств и судов необходимо определять силы и моменты относительно центра масс. Это верно независимо от того, учитывается ли сама гравитация. Ссылка на центр масс как на центр тяжести - это что-то вроде разговорного выражения, но оно широко используется, и когда эффекты градиента силы тяжести незначительны, центр тяжести и центр массы одинаковы и используются как взаимозаменяемые.

В физике преимущества использования центра масс для моделирования распределения массы можно увидеть, рассмотрев равнодействующую сил гравитации, действующую на сплошное тело. Рассмотрим тело Q объёма V с плотностью ρ ( r ) в каждой точке r объёма. В параллельном гравитационном поле сила f в каждой точке r определяется формулой:

где dm — масса в точке r , g — ускорение свободного падения, а — единичный вектор, определяющий вертикальное направление.

Выберите опорную точку R в объеме и вычислите результирующую силу и крутящий момент в этой точке.

и

Если точка отсчета R выбрана так, что она является центром масс, то

что означает результирующий крутящий момент T = 0 . Поскольку результирующий крутящий момент равен нулю, тело будет двигаться, как если бы оно было частицей, масса которой сосредоточена в центре масс.

Если выбрать центр тяжести в качестве опорной точки для твердого тела, силы тяжести не будут заставлять тело вращаться, а это означает, что вес тела можно считать сосредоточенным в центре масс.

Линейный и угловой момент [ править ]

Линейный и угловой момент совокупности частиц можно упростить, измерив положение и скорость частиц относительно центра масс. Пусть система частиц P i , i = 1, ..., n масс m i расположена в координатах r i со скоростями v i . Выберите опорную точку R и вычислите векторы относительного положения и скорости,

Полный линейный момент и угловой момент системы равны

и

Если R выбран в качестве центра масс, эти уравнения упрощаются до

где m — общая масса всех частиц, p — линейный момент, а L — угловой момент.

Закон сохранения импульса предсказывает, что для любой системы, не подвергающейся воздействию внешних сил, импульс системы останется постоянным, а это означает, что центр масс будет двигаться с постоянной скоростью. Это справедливо для всех систем с классическими внутренними силами, включая магнитные поля, электрические поля, химические реакции и так далее. Более формально это справедливо для любых внутренних сил, которые сокращаются в соответствии с Третьим законом Ньютона . [12]

Определение [ править ]

Метод отвеса

Экспериментальное определение центра масс тела использует силы тяжести, действующие на тело, и основано на том, что центр масс совпадает с центром тяжести в параллельном поле силы тяжести вблизи земной поверхности.

Центр масс тела с осью симметрии и постоянной плотностью должен лежать на этой оси. Таким образом, центр масс круглого цилиндра постоянной плотности располагается на оси цилиндра. Точно так же центр масс сферически-симметричного тела постоянной плотности находится в центре сферы. В общем, для любой симметрии тела его центр масс будет фиксированной точкой этой симметрии. [13]

В двух измерениях [ править ]

Экспериментальный метод определения центра масс состоит в подвешивании объекта в двух местах и ​​опущении отвесов от точек подвеса. Пересечение двух линий – это центр масс. [14]

Форма объекта может быть уже определена математически, но использовать известную формулу может быть слишком сложно. В этом случае можно разделить сложную форму на более простые и элементарные формы, центры масс которых легко найти. Если общую массу и центр масс можно определить для каждой области, то центр масс целого представляет собой средневзвешенное значение центров. [15] Этот метод может работать даже для объектов с дырками, которые можно объяснить отрицательными массами. [16]

Непосредственное развитие планиметра, известное как интеграф или целочисленный счетчик, можно использовать для определения положения центроида или центра масс неправильной двумерной формы. Этот метод можно применить к фигурам с неровными, гладкими или сложными границами, где другие методы слишком сложны. Судостроители регулярно использовали его для сравнения необходимого водоизмещения и центра плавучести корабля и обеспечения его предотвращения опрокидывания. [17] [18]

В трёх измерениях [ править ]

Экспериментальный метод определения трехмерных координат центра масс начинается с поддержки объекта в трех точках и измерения сил F 1 , F 2 и F 3 , которые сопротивляются весу объекта. ( — единичный вектор в вертикальном направлении). Пусть r 1 , r 2 и r 3 - координаты положения опорных точек, тогда координаты R центра масс удовлетворяют условию, что результирующий крутящий момент равен нулю,

или

Это уравнение дает координаты центра масс R * в горизонтальной плоскости как:

Центр масс лежит на вертикальной линии L , определяемой формулой

Трехмерные координаты центра масс определяются путем проведения этого эксперимента дважды, когда объект расположен так, что эти силы измеряются в двух разных горизонтальных плоскостях, проходящих через объект. Центром масс будет пересечение двух линий L 1 и L 2, полученных в результате двух экспериментов.

Приложения [ править ]

Инженерные проекты [ править ]

Автомобильные приложения [ править ]

Инженеры стараются спроектировать спортивный автомобиль так, чтобы его центр масс был опущен, чтобы машина лучше управлялась , то есть сохраняла сцепление с дорогой при выполнении относительно крутых поворотов.

Характерный низкий профиль американского военного Humvee был разработан отчасти для того, чтобы позволить ему наклоняться дальше, чем более высокие автомобили, не переворачиваясь , гарантируя, что его низкий центр масс остается над пространством, ограниченным четырьмя колесами, даже под углами, далекими от горизонтали .

Воздухоплавание [ править ]

Центр масс — важная точка самолета , которая существенно влияет на устойчивость самолета. Чтобы самолет был достаточно устойчивым и безопасным в полете, центр масс должен находиться в определенных пределах. Если центр масс находится впереди переднего предела , самолет будет менее маневренным, возможно, до такой степени, что он не сможет развернуться при взлете или развернуться при приземлении. [19] Если центр масс находится за задней границей, самолет будет более маневренным, но при этом менее устойчивым и, возможно, настолько нестабильным, что полет будет невозможен. Моментное плечо руля высоты также будет уменьшено, что затруднит выход из состояния сваливания . [20]

У вертолетов в режиме зависания центр масс всегда находится прямо под головкой несущего винта . При полете вперед центр масс будет перемещаться вперед, чтобы уравновесить отрицательный крутящий момент по тангажу, создаваемый циклическим управлением для движения вертолета вперед; следовательно, крейсерский вертолет летит «носом вниз» в горизонтальном полете. [21]

Астрономия [ править ]

Два тела, вращающиеся вокруг своего барицентра (красный крест)

Центр масс играет важную роль в астрономии и астрофизике, где его обычно называют барицентром . Барицентр — это точка между двумя объектами, где они уравновешивают друг друга; это центр масс, где два или более небесных тел вращаются вокруг друг друга. Когда луна вращается вокруг планеты или планета вращается вокруг звезды , оба тела фактически вращаются вокруг точки, которая находится вдали от центра основного (большого) тела. [22] Например, Луна вращается не вокруг точного центра Земли , а в точке на линии между центром Земли и Луной, примерно на 1710 км (1062 мили) ниже поверхности Земли, где их соответствующие массы уравновешиваются. . Это точка, вокруг которой вращаются Земля и Луна, путешествуя вокруг Солнца . Если массы более похожи, например, Плутона и Харона , барицентр окажется вне обоих тел.

Такелаж и безопасность [ править ]

Знание местоположения центра тяжести при монтаже имеет решающее значение, поскольку неправильное определение может привести к серьезной травме или смерти. Центр тяжести, находящийся на точке подъема или выше нее, скорее всего, приведет к опрокидыванию. В общем, чем дальше центр тяжести ниже точки выбора, тем безопаснее подъем. Следует учитывать и другие факторы, такие как смещение грузов, сила груза и масса, расстояние между точками выбора и количество точек выбора. В частности, при выборе точек подъема очень важно расположить центр тяжести в центре и значительно ниже точек подъема. [23]

Движение тела [ править ]

В кинезиологии и биомеханике центр масс является важным параметром, который помогает людям понять свое человеческое передвижение. Обычно центр массы человека определяется одним из двух методов: метод реакционной доски представляет собой статический анализ, в котором человек лежит на этом инструменте и использует его уравнение статического равновесия для определения своего центра массы; метод сегментации основан на математическом решении, основанном на физическом принципе , согласно которому сумма крутящих моментов отдельных секций тела относительно заданной оси должна равняться крутящему моменту всей системы, составляющей тело, измеренному относительно той же оси. [24]

Оптимизация [ править ]

Метод центра тяжести — это метод выпуклой оптимизации, который использует центр тяжести допустимой области.

См. также [ править ]

Примечания [ править ]

  1. ^ Шор 2008 , стр. 9–11.
  2. ^ Барон 2004 , стр. 91–94.
  3. ^ Барон 2004 , стр. 94–96.
  4. ^ Барон 2004 , стр. 96–101.
  5. ^ Барон 2004 , стр. 101–106.
  6. ^ Манкосо 1999 , стр. 56–61.
  7. ^ Эрлихсон, Х. (1996). «Открытие Христианом Гюйгенсом формулы центра колебаний» . Американский журнал физики . 64 (5): 571–574. Бибкод : 1996AmJPh..64..571E . дои : 10.1119/1.18156 . ISSN   0002-9505 .
  8. ^ Уолтон 1855 , с. 2.
  9. ^ Битти 2006 , с. 29.
  10. ^ Леви 2009 , с. 85.
  11. ^ Бай и Брин 2008 .
  12. ^ Клеппнер и Коленков 1973 , с. 117.
  13. ^ Лекции Фейнмана по физике Том. Я Ч. 19: Центр масс; Момент инерции
  14. ^ Клеппнер и Коленков 1973 , стр. 119–120.
  15. ^ Фейнман, Лейтон и Сэндс, 1963 , стр. 19.1–19.2.
  16. ^ Хэмилл 2009 , стр. 20–21.
  17. ^ «Теория и проектирование британского кораблестроения» . Амос Лоури Эйр . п. 3 . Проверено 20 августа 2012 г.
  18. ^ Сангвин 2006 , с. 7.
  19. ^ Федеральное управление гражданской авиации 2007 , с. 1.4.
  20. ^ Федеральное управление гражданской авиации 2007 , с. 1.3.
  21. ^ «Аэродинамика вертолета» (PDF) . п. 82. Архивировано из оригинала (PDF) 24 марта 2012 г. Проверено 23 ноября 2013 г.
  22. ^ Мюррей и Дермотт 1999 , стр. 45–47.
  23. ^ «Техник по разрушению конструкций: Модуль 4 — Подъем и такелаж» (PDF) . FEMA.gov . Проверено 27 ноября 2019 г.
  24. ^ Винт 2003 , стр. 1–11.

Ссылки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]