下图中的玩具可以保持动态平衡,原因是玩具小人的腿是整个玩具的质心。
本节就来介绍什么是质心,让我们从力矩说起。
假设有质量为、的两个物体被安放在一根刚性的轴上,支点架设在原点处,如下图所示。
此时、的物体受到重力加速度的影响,会分别产生、的 力矩 ,如下图所示。
著名的 杠杆原理 原理就是对力矩的一种应用,该原理说的是,我们可通过调整支点使杆子达到平衡。比如像下图一样,将支点调整到点时杆子可达到平衡,该平衡点也被称为 质心 。
此时点两侧的力矩相互抵消,由此可推出质心点的值:
如果在点处再增加一个质量为的质点,那么有:
更一般的,如果杆子上有质量为、、、、、的点,所在位置分别是、、、、、,那么质心点的计算公式如下:
顺便说一下,杠杆原理是阿基米德提出的。根据该原理,阿基米德说出了以下惊世骇俗的名言:
上面的质心计算是基于杆子上放置的是一个个离散的质点,如果要计算前面提到的动态平衡玩具的质心,需要把刚才的概念从离散扩展到连续。下面通过一道例题来讲解。
沿轴在区间上放置着一根细长的金属条,如下图所示(为了展示效果,图中的金属条绘制成了小的长条状矩形,实际上应该只是一条线段),其线密度函数在区间上。请求出该金属条的质心。
在区间上选择一点,以该点为中心作长度为的红色细长条,如下图所示。因为线密度函数在区间上,当足够小时,可认为该红色细长条的线密度就是,所以该红色细长条的质量可近似计算如下:
且当足够小时,该红色细长条可近似看作质点,其与质心相距,如下图所示。
故质点(即红色细长条)关于质心的力矩为:
按照上面的方法,细长金属条可以划分为个红色细长条,从而构造出如下的,并且因为是质心,所以该约等于:
当时,即时,可以推出如下的质心公式,和离散时的质心公式还是很神似的,其中的分母就是细长金属条的质量。
在质心处架设支点,如下图所示,该金属条可以保持平衡。