Processing math: 100%
Skip to main content
LibreTexts - Ukrayinska

13.4: Центр Мас

Ми використовували ітераційні інтеграли для пошуку плоских областей та підписаних об'ємів під поверхнями. Короткий підсумок цих застосувань буде корисним у цьому розділі, оскільки ми застосовуємо ітераційні інтеграли для обчислення маси та центру маси плоских областей.

Щоб знайти площу площинної області, ми оцінювали подвійний інтегралRdA. Тобто, підсумовуючи площу безлічі маленьких субрегіонів, намR дали загальну площу. Неофіційно ми думаємо про значенняRdA «підсумувати багато маленьких областей над»R.

Щоб знайти підписаний об'єм під поверхнею, ми оцінили подвійний інтегралRf(x,y)dA. Нагадаємо, що "dA" - це не просто «bookend» в кінці інтеграла; скоріше, він множиться наf(x,y). Ми розцінюємоf(x,y) як надання висоти, так іdA ще надання площі:f(x,y)dA додає обсяг. Таким чином, неофіційно,Rf(x,y)dA означає «підсумувати багато маленьких томів над»R.

Тепер ми поширюємо ці ідеї на інші контексти.

Маса і вага

Розглянемо тонкий лист матеріалу з постійною товщиною і кінцевою площею. Математики (і фізики і інженери) називають такий лист ламіною. Тому розглянемо пластинку, як показано на малюнку13.4.1a, з формою якоїсь площинної областіR, як показано в частині (b).

13.24.PNG
Малюнок13.4.1: Ілюстрація поняття пластинки.

Ми можемо написати простий подвійний інтеграл, який представляє масу ламіни:R dm, деdm "" означає «трохи маси». Тобто подвійні інтегральні стани загальної маси пластинки можна знайти, «підсумовуючи багато маленьких мас над»R.

Щоб оцінити цей подвійний інтеграл,R поділ наn субрегіони, як ми робили в минулому. ithСубрегіон має площуΔAi.
Основною властивістю маси є те, що «маса =× площа щільності». Якщо пластинка має постійну щільністьδ, то маса цьогоith субрегіону єΔmi=δΔAi. Тобто ми можемо обчислити невелику кількість маси, помноживши невелику кількість площі на щільність.

Якщо щільність змінна, з функцією щільностіδ=δ(x,y), то ми можемо наблизити масуith субобластіRΔAi шляхом множення наδ(xi,yi), де(xi,yi) точка в цьому субрегіоні. Тобто для досить невеликого субрегіону щільність в цьому регіоні майже постійна.R

Примітка: Маса і вага - це різні заходи. Оскільки вони є скалярними кратними один одному, часто легко ставитися до них як до однієї міри. У цьому розділі ми ефективно ставимося до них як до того ж, так як наша техніка знаходження маси така ж, як і для знаходження ваги. Використовувані функції щільності просто матимуть різні одиниці.

Загальна масаM пластинки приблизно дорівнює сумі приблизних мас субобластей:
Mni=1Δmi=ni=1δ(xi,yi)ΔAi.

Прийняття межі, оскільки розмір субрегіонів зменшується до 0, дає нам фактичну масу; тобто інтеграціяδ(x,y) надR дає масу пластинки.

Визначення 103 Маса ламіни зі змінною щільністю

δ(x,y)Дозволяти безперервна функція щільності пластинки, що відповідає площині областіR. MМаса пластинки становить

mass M=R dm=Rδ(x,y)dA.

Приклад13.4.1: Finding the mass of a lamina with constant density

Знайдіть масу квадратної пластини, з довжиною сторони 1, щільністюδ=3 гм/см2.

Рішення

Представляємо пластинку з квадратною областю в площині, як показано на малюнку13.4.2. Оскільки щільність постійна, не має значення, де ми розміщуємо квадрат.

13.25 ПЕНГА
Рисунок13.4.2: Область R, що представляє пластинку у прикладі13.4.1.

Після визначення 103 масаM пластинки становить
M=R3dA=10103dxdy=31010dxdy=3 gm.

Це все дуже просто; зауважте, що все, що ми дійсно зробили, це знайти площу пластинки і помножити її на постійну щільність3 г/см2.

Приклад13.4.2: Finding the mass of a lamina with variable density

Знайти масу квадратної ламіни, представленої одиничним квадратом з нижнім лівим кутом біля початку (див. Рис.13.4.2), зі змінною щільністюδ(x,y)=(x+y+2) г/см2.

Рішення

Змінна щільністьδ, в цьому прикладі, дуже рівномірна, даючи щільність3 в центрі квадрата і змінюється лінійно. Графікδ(x,y) можна побачити на малюнку13.4.3; зверніть увагу, як «однакова кількість» щільності вищеz=3, як показано нижче. Ми прокоментуємо значення цього на мить.

МасуM знаходять шляхом інтеграціїδ(x,y) надR. Порядок інтеграції не важливий, вибираємоdxdy довільно. Таким чином:
\ [\ begin {align*}
M =\ iInt_R (x+y+2) Да &=\ int_0^1\ int_0^1 (x+y+2)\ dx\, dy\\
&=\ int_0^1\ ліворуч. \ ліворуч (\ frac 12x^2+x (y+2)\ праворуч)\ праворуч | _0^1\, dy\\
&=\ int_0^1\ ліворуч (\ frac52+y\ праворуч)\, dy\\
&=\ ліворуч. \ ліворуч (\ frac52y+\ frac12y^2\ праворуч)\ праворуч |_0^1\\
&= 3\ текст {gm}.
\ end {вирівнювати*}\]

13.26 ПНГ
Малюнок13.4.3: Графік функцій щільності в Прикладах13.4.1 і13.4.2.

Виходить, що так як щільність пластинки настільки рівномірно розподілена «зверху і знизу»z=3, то маса пластинки така ж, як якщо б вона мала постійну щільність 3. Функції щільності в прикладах13.4.1 і13.4.2 зображені на малюнку13.4.3, який ілюструє це поняття.

Приклад13.4.3: Finding the weight of a lamina with variable density

Знайдіть вагу пластинки, представленої колом з радіусом2 ft, центрованим у початку, з функцією щільностіδ(x,y)=(x2+y2+1) lb/ft2. Порівняйте це з вагою тієї ж ламіни з щільністюδ(x,y)=(2x2+y2+1) lb/ft2.

Рішення
Пряме застосування визначення 103 стверджує, що вага пластинки єRδ(x,y)dA. Оскільки наша ламіна має форму кола, має сенс наблизитися до подвійного інтегралу, використовуючи полярні координати.

Функція щільностіδ(x,y)=x2+y2+1 стаєδ(r,θ)=(rcosθ)2+(rsinθ)2+1=r2+1. Коло обмежується0r2 і0θ2π. Таким чином вагаW становить:

\ [\ begin {align*}
W &=\ int_0^ {2\ pi}\ int_0^2 (r^2+1) r\ dr\ d\ тета\\
&=\ int_0^ {2\ pi}\ ліворуч. \ ліворуч (\ frac14r^4+\ frac12r^2\ праворуч)\ праворуч | _0^2\, d\ тета\\
&=\ int_0^ {2\ pi}\ ліворуч (6\ праворуч)\, d\ тета\\
&= 12\ пі\ приблизно 37,70\ текст {lb}.
\ end {вирівнювати*}\]

Тепер порівняйте це з функцією щільностіδ(x,y)=2x2+y2+1. Перетворення цього в полярні координати даєδ(r,θ)=2(rcosθ)2+(rsinθ)2+1=2r+1. Таким чином вагаW становить:

\ [\ почати {вирівнювати*}
W &=\ int_0^ {2\ pi}\ int_0^2 (2r+1) r\ dr\ d\ тета\
&=\ int_0^ {2\ pi} (\ frac23r^3+\ frac12r^2)\ Big|_0^2\, d\ тета\\
&=\ int_0^ {2\ пі}\ ліворуч (\ frac {22} 3\ праворуч)\ d\ тета\\
&=\ frac {44} 3\ pi\ приблизно 46.08\ текст {lb}.
\ end {align*}\]
Можна очікувати, що різні функції щільності повернуть різні ваги, як ми маємо тут. Функції щільності були обрані, однак, щоб бути схожими: кожна дає щільність 1 на початку і щільність 5 на зовнішньому краї кола, як показано на малюнку13.4.4.

13.27 PNG
Малюнок13.4.4: Графік функцій щільності в13.4.3. In (a) - функція щільностіδ(x,y)=x2+y2+1; in (b) єδ(x,y)=2x2+y2+1.

Зверніть увагу, якx2+y2+12x2+y2+1 по колу; це призводить до меншої ваги.

Побудова функцій щільності може бути корисним, оскільки наше розуміння маси може бути пов'язане з нашим розумінням «обсягу під поверхнею». Ми інтерпретувалиRf(x,y)dA як надання обсягу підf більшR; ми можемо зрозумітиRδ(x,y)dA так само. «Обсяг» підδ над насправдіR є масою; стискаючи «обсяг» підδ наxy -площину, ми отримуємо «більше маси» в деяких областях, ніж інші - тобто області більшої щільності.

Знання маси пластинки - одна з декількох важливих заходів. Інший - центр маси, який ми обговорюємо далі.

Центр Мас

Розглянемо диск радіусом 1 з рівномірною щільністю. Загальновідомо, що диск буде балансувати на точці, якщо точка розміщена в центрі диска. Що робити, якщо диск не має рівномірної щільності? Через trial-and-error ми все одно повинні бути в змозі знайти місце на диску, на якому диск буде балансувати по точці. Цю точку балансу називають центром маси, або центром ваги. Це хоч вся маса «зосереджена» там. Насправді, якщо диск має масу3 кг, диск буде вести себе фізично так, ніби це була точка-маса3 кг, розташована в його центрі маси. Наприклад, диск буде природним чином обертатися віссю через центр маси (саме тому важливо «врівноважити» шини вашого автомобіля: якщо вони «поза рівновагою», їх центр маси буде поза осі, і він буде жахливо трястися).

Знаходимо центр маси за принципом середньозважених. Розглянемо клас коледжу, в якому ваше домашнє завдання в середньому становить 90%, середній тест 73%, а ваш підсумковий бал іспиту - 85%. Досвід говорить нам, що наш підсумковий бал не є середнім показником цих трьох класів: тобто це не так:
0.9+0.73+0.8530.837=83.7
Тобто, ви, мабуть, не тягнете B у курсі. Швидше, ваші оцінки зважуються. Припустимо, домашнє завдання коштує 10% від оцінки, тести - 60%, а іспит - 30%. Тоді ваш остаточний бал:
(0.1)(0.9)+(0.6)(0.73)+(0.3)(0.85)=0.783=78.3
Кожен клас множиться на вагу.

Загалом, задані значенняx1,x2,,xn і вагиw1,w2,,wn, середньозваженеn значення дорівнює
ni=1wixi/ni=1wi.

У прикладі оцінювання вище сума ваг 0.1, 0.6 і 0.3 дорівнює 1, тому ми не бачимо ділення на суму ваг в цьому випадку.

Як це стосується центру мас, наведено в наступній теоремі.

ТЕОРЕМА 121 Центр мас дискретної лінійної системи

Нехай точкові масиm1,m2,,mn будуть розподілені уздовжx -осі в місцяхx1,x2,,xn відповідно. Центр мас¯x системи розташовується на

¯x=ni=1mixi/ni=1mi.

Приклад13.4.4: Finding the center of mass of a discrete linear system

  1. Точкові маси2 гм розташовані наx=1,x=2 іx=3 з'єднані тонким стрижнем мізерно малої ваги. Знайдіть центр маси системи.
  2. Точкові маси102 gm,1 gm і gm розташовані приx=1,x=2 іx=3, відповідно, з'єднані тонким стрижнем мізерно малої ваги. Знайдіть центр маси системи.

Рішення

  1. Слідуючи теоремі 121, ми обчислюємо центр маси
    ¯x=2(1)+2(2)+2(3)2+2+2=43=1.¯3.
    так: Таким чином, система буде балансувати на точці, розміщеній вx=4/3, як показано на малюнку13.4.5a.
  2. Знову слідуючи теоремі 121, ми знаходимо:
    ¯x=10(1)+2(2)+1(3)10+2+1=3130.23.
    Розміщення великої ваги в лівій частині системи переміщує центр маси вліво, як показано на малюнку13.4.5b.
13.28 ПЕНГА
Малюнок13.4.5: Ілюстрація точкових мас уздовж тонкого стрижня і центру маси.

У дискретній системі (тобто маса розташована в окремих точках, а не по континууму) знаходимо центр мас шляхом ділення маси на момент системи. Взагалі, момент - це зважена міра відстані від певної точки або лінії. У випадку, описаному теоремою 121, ми знаходимо зважену міру відстаней відy -осі, тому ми називаємо це моментом проy - осі, представленоїMy. ДопускаючиM загальну масу системи, ми маємо¯x=My/M.

Ми можемо досить легко розширити поняття центру маси дискретних точок вздовж лінії до центру маси дискретних точок на площині. Для цього ми визначаємо деякі терміни, а потім наведемо теорему.

Визначення 104 Моменти проx- and y- Axes.

Нехай точкові масиm1,m2,,mn розташовуватися в точках(x1,y1)(x2,y2),(xn,yn), відповідно, вxy -площині.

  1. Момент проy -осі,My, єMy=ni=1mixi.
  2. Момент проx -осі},Mx, єMx=ni=1miyi.

Можна подумати, що ці визначення є «назад», оскількиMy підсумовують "x" відстані. Але пам'ятайте,x "" відстані - це вимірювання відстані відy -осі, отже, визначення моменту проy -осі.

Тепер ми визначимо центр маси дискретних точок на площині.

ТЕОРЕМА 122 Центр мас дискретної площинної системи

Нехай точки масиm1,m2,,mn бути розташовані в точках(x1,y1)(x2,y2),(xn,yn), відповідно, вxy -площині, і нехайM=ni=1mi.
Центр маси системи знаходиться в(¯x,¯y), де
¯x=MyMand¯y=MxM.

Приклад13.4.5: Finding the center of mass of a discrete planar system

Нехай точкові маси1 кг,2 кг і5 кг розташовуються в точках(2,0),(1,1) і(3,1), відповідно, і з'єднані тонкими стрижнями незначної ваги. Знайдіть центр маси системи.

Рішення

Ми слідуємо теоремі 122 та визначенню 104, щоб знайтиM,Mx іMy:

M=1+2+5=8кг.
\ [\ почати {вирівнювати*}
m_x &=\ sum_ {i = 1} ^n m_iy_i\\
&= 1 (0) + 2 (1) + 5 (1)\\
&= 7.
\ end {align*}

\]\ [\ begin {align*}
m_y &=\ sum_ {i=1} ^n m_ix_i\\
&= 1 (2) + 2 (1) + 5 (3)\\
&= 19.
\ end {вирівнювати*}\]

13.29.ПНГ
Рисунок13.4.6: Ілюстрація центру мас дискретної площинної системи на прикладі13.4.5.

Таким чином, центр мас(¯x,¯y)=(MyM,MxM)=(198,78)=(2.375,0.875), проілюстрований на рис13.4.6.

Нарешті, ми приходимо до нашої справжньої мети цього розділу: знаходження центру маси пламіни зі змінною щільністю. Хоча вищевказане вимірювання центру маси цікаво, воно безпосередньо не відповідає на більш реалістичні ситуації, коли нам потрібно знайти центр маси суміжної області. Однак розуміння дискретного випадку дозволяє нам наблизити центр маси плоскої пластинки; використовуючи обчислення, ми можемо уточнити наближення до точного значення.

Почнемо з представлення плоскої пластинки з областюR вxy -площині з функцією щільностіδ(x,y). РозділR наn підрозділи, кожен з яких має площуΔAi. Як і раніше, ми можемо наблизити масуith субрегіону зδ(xi,yi)ΔAi, де(xi,yi) знаходиться точка всерединіith субрегіону. Ми можемо наблизити момент цієї субобласті навколоy -осі зxiδ(xi,yi)ΔAi — тобто помноживши приблизну масу області на її приблизну відстань відy -осі. Аналогічно ми можемо наблизити момент проx -осі сyiδ(xi,yi)ΔAi. Підсумовуючи всі субрегіони, ми маємо:

\ [\ begin {align*}
\ текст {маса:} M &\ приблизно\ sum_ {i=1} ^n\ дельта (x_i, y_i)\,\ Дельта a_i\ quad\ text {(як видно раніше)}
\\ текст {момент проx -осі:} m_x &\ приблизно\ sum_ {i = 1} ^n y_i\ delta (x_i, y_i)\,\ Delta a_i\
\ text {момент навколоy -осі:} M_ y &\ приблизно\ sum_ {i=1} ^n x_i\ дельта (x_i, y_i)\,\ Дельта a_i\
\ кінець {align*}\]

Беручи межі, де розмір кожної субобласті зменшується до 0 в обохy напрямкахx і напрямках, ми отримуємо подвійні інтеграли, наведені в наступній теоремі.

Теорема 123: Центр мас плоскої ламіни, моменти

Нехай плоска пластинка буде представлена областюR вxy -площині з функцією щільностіδ(x,y).

  1. mass: M=Rδ(x,y)dA
  2. \boldsymbol{\displaystyle \text{moment about the \(x}-вісь:} m_x =\ iInt_RY\ дельта (x, y)\, да\)
  3. \boldsymbol{\displaystyle \text{moment about the \(y}-вісь:} m_y =\ iInt_Rx\ дельта (x, y)\, да\)
  4. Центр маси пластинки
    (¯x,¯y)=(MyM,MxM).

Ми починаємо нашу практику пошуку центрів маси з перегляду деяких пластин, використовуваних раніше в цьому розділі при знаходженні маси. Ми просто налаштуємо інтеграли, необхідні для обчисленняM,MxMy і залишимо деталі інтеграції читачеві.

Приклад13.4.6: Finding the center of mass of a lamina

Знайдіть центральну масу квадратної пластини, з довжиною сторони 1, щільністюδ=3 гм/см2. (Примітка: це ламіна з Прикладу13.4.1.)

Рішення
Представляємо пластинку з квадратною областю в площині, як показано на малюнку13.4.7, як це зроблено раніше.

13.30 ПНГ
Рисунок13.4.7: Область R, що представляє пластинку у прикладі13.4.6.

Слідуючи теоремі 123, ми знаходимоM,Mx іMy:

\ [\ begin {align*}
M &=\ iInt_r 3\, Да =\ int_0^1\ int_0^1 3\ dx\, dy =3\ text {gm}. \\
m_x &=\ iInt_R 3y\, Да =\ int_0^1\ int_0^1 3y\ dx\, ди =3/2 = 1,5. \\
m_y &=\ iInt_R 3х\, Да =\ int_0^1\ int_0^1 3х\ дх\, ди = 3/2 = 1,5.
\ end {вирівнювати*}\]

Таким чином, центр маси є(¯x,¯y)=(MyM,MxM)=(1.5/3,1.5/3)=(0.5,0.5). Це те, що ми повинні були очікувати: центр маси квадрата з постійною щільністю є центром квадрата.

Приклад13.4.7: Finding the center of mass of a lamina

Знайти центр маси квадратної ламіни, представленої одиничним квадратом з нижнім лівим кутом біля початку (див. Рис.13.4.7), зі змінною щільністюδ(x,y)=(x+y+2) г/см2. (Примітка: це ламіна з Прикладу13.4.2.)

Рішення
Ми слідуємо теоремі 123, щоб знайтиM,Mx іMy:

\ [\ begin {align*}
M &=\ iInt_R (x+y+2)\, Да =\ int_0^1\ int_0^1 (x+y+2)\ dx\, ди =3\ текст {gm}. \\
m_x &=\ iInt_R y (x+y+2)\, Да =\ int_0^1\ int_0^1 y (x+y+2)\ dx\, dy =\ frac {19} {12}. \\
m_y &=\ iInt_R х (x+y+2)\, Да =\ int_0^1\ int_0^1 x (x+y+2)\ dx\, dy =\ frac {19} {12}.
\ end {вирівнювати*}\]

Таким чином, центр маси є(¯x,¯y)=(MyM,MxM)=(1936,1936)(0.528,0.528). Хоча маса цієї пластини така ж, як і пластинка в попередньому прикладі, більша щільність знайдена з більшоюx іy значення тягне центр маси від центру трохи до верхнього правого кута.

Приклад13.4.8: Finding the center of mass of a lamina

Знайти центр маси пластинки, представленої колом з радіусом2 ft, центрованим у початку, з функцією щільностіδ(x,y)=(x2+y2+1) lb/ft2. (Примітка: це одна з ламін, що використовується в прикладі13.4.3.)

Рішення

Як це зроблено в прикладі13.4.3, найкраще описуватиR за допомогою полярних координат.
Таким чином, коли ми обчислюємоMy, ми будемо інтегрувати неxδ(x,y)=x(x2+y2+1), а скоріше(rcosθ)δ(rcosθ,rsinθ)=(rcosθ)(r2+1). миM обчислюємо,Mx іMy:

\ [\ begin {align*}
M &=\ int_0^ {2\ pi}\ int_0^2 (r^2+1) r\ dr\ d\ тета = 12\ пі\ приблизно 37,7\ текст {lb}. \\
m_x &=\ int_0^ {2\ pi}\ int_0^2 (r\ sin\ тета) (r^2+1) r\ dr\ d\ тета = 0. \\
m_y &=\ int_0^ {2\ pi}\ int_0^2 (r\ cos\ тета) (r^2+1) r\ dr\ d\ тета = 0. \\
\ кінець {вирівнювати*}\]

ОскількиR і щільністьR обох симетричні щодоy осейx і, не повинно бути великим сюрпризом, що моменти навколо кожної осі є0. Таким чином, центр маси є(¯x,¯y)=(0,0).

Приклад13.4.9: Finding the center of mass of a lamina

Знайдіть центр маси пластинки, представленої областю,R показаною на малюнку13.4.8, половиною кільцевого кільця з зовнішнім радіусом 6 і внутрішнім радіусом 5, з постійною щільністю2 lb/ft2.

Рішення

Ще раз корисно буде представлятиR в полярних координатах. Використовуючи описR і/або ілюстрацію, ми бачимо, щоR обмежується5r6 і0θπ. Оскільки пластинка симетрична щодоy -осі, слід очікуватиMy=0. ОбчислюємоM,Mx іMy:
\ [\ begin {align*}
M &=\ int_0^ {\ pi}\ int_5^6 (2) r\ dr\ d\ тета = 11\ pi\ text {lb}. \\
m_x &=\ int_0^ {\ pi}\ int_5^6 (r\ sin\ тета) (2) r\ dr\ d\ тета =\ розрив {364} 3\ приблизно 121,33. \\
m_y &=\ int_0^ {\ pi}\ int_5^6 (r\ cos\ тета) (2) r\ dr\ d\ тета = 0. \\
\ кінець {вирівнювати*}\]


13.31 ПЕНГА
Малюнок13.4.8: Ілюстрація регіонуR у прикладі13.4.9.

Таким чином, центр маси є(¯x,¯y)=(0,36433π)(0,3.51). Центр маси вказано на малюнку13.4.8; зверніть увагу, як він лежить позаR!

Цей розділ показав нам інше використання для ітераційних інтегралів за межами знаходження площі або підписаного об'єму під кривою. Хоча існує багато застосувань для ітераційних інтегралів, ми наведемо ще один додаток у наступному розділі: обчислювальна площа поверхні.