Wróć do informacji o e-podręczniku Wydrukuj Pobierz materiał do PDF Pobierz materiał do EPUB Pobierz materiał do MOBI Zaloguj się, aby dodać do ulubionych Zaloguj się, aby skopiować i edytować materiał Zaloguj się, aby udostępnić materiał Zaloguj się, aby dodać całą stronę do teczki

Warto przeczytać

RjySIQ4LKjCgY
Rys. 1. Środek masy dwóch ciał.
Źródło: Politechnika Warszawska, Wydział Fizyki, licencja: CC BY 4.0.

Środek masy obiektu to punkt, który często można traktować tak, jak gdyby cała masa obiektu była skupiona w tym punkciePunkt materialny punkcie. Położenie tego punktu w ciele lub układzie ciał zależy od rozkładu masy.  Jest to średnia ważona położeń wszystkich elementów ciała względem tego punktu; za wagi przyjmujemy właśnie masy tych elementów. Dla dwóch ciał o masach m1m2 znajdujących się w odległości l środek masy S znajduje się w odległości xs od początku układu O, jak na Rys. 1.:

xs=m1x1+m2x2m1+m2.

Przykład 1 – środek masy układu dwóch kul

Rozwiązując przykładowe zadania, wygodnie jest umieścić środek układu współrzędnych (względem którego wyznaczymy środek masy) w środku jednego z ciał. W powyższym przykładzie, jeśli umiejscowimy punkt O w środku kuli o masie m1, to wartość x1 wyniesie 0, a x2=l, zatem wzór uprości się do

xs=m2lm1+m2.

W przypadku kul o tych samych masach m1=m2=m otrzymamy

xs=m2lm1+m2=mlm+m=ml2m=l2,

czyli środek masy – zgodnie z intuicją – znajdzie się pośrodku tych dwóch ciał. Jeśli przyjmiemy, że masy nie są równe i np. masa drugiej kuli jest trzykrotnie większa niż pierwszej, czyli m2=3m1 otrzymamy

xs=m2lm1+m2=3m1lm1+3m1=3m1l4m1=34l.

Środek masy znajdzie się więc bliżej cięższej z kul - dokładnie w 1/4 odległości między kulami.

Przykład 2 – środek masy układu trzech kul leżących na jednej prostej

Gdyby wzdłuż osi znajdowały się trzy kule, jak na Rys. 2., postąpilibyśmy analogicznie, obliczając:

xs=m1x1+m2x2+m3x3m1+m2+m3.
R10Hjr9HnFLR0
Rys. 2. Układ trzech kul leżących na jednej prostej. Ilustracja do Przykładu 2
Źródło: Politechnika Warszawska, Wydział Fizyki, licencja: CC BY 4.0.

Rozważmy szczególny przypadek, gdy mamy trzy kule o jednakowych masach (m = 1 kg każda). Położenia kul dla l1 = 1 m i l2 = 2 m pokazano na Rys. 2. Przyjmując środek układu współrzędnych w środku pierwszej kuli, otrzymamy

xs=ml1+m(l1+l2)m+m+m=l1+l1+2l13=113l11,3m.

Środek masy takiego układu znajduje więc się ok. 33 cm na prawo od środkowej kuli.

W przypadku bardziej złożonych układów, składających się w ogólności z n elementów, postępujemy analogicznie, sumując masy i odległości wszystkich elementów składowych danego układu:

xs=m1x1+m2x2+...+mnxnm1+m2+...+mn=i=1nmixii=1nmi.

Powyższe wzory zaprezentowaliśmy dla prostej sytuacji jednowymiarowej, tj. dla mas ułożonych wzdłuż jednej prostej, do której dostosowaliśmy oś OX. Jeśli natomiast mamy układ wielu ciał w przestrzeni, np. jak na Rys. 3., nasze postępowanie będzie analogiczne, tyle że zamiast pojedynczej współrzędnej x, będziemy potrzebować wektora w postaci

rs=m1r1+m2r2+...+mnrnm1+m2+...+mn=i=1nmirii=1nmi.
RSLfskgaoae9i
Rys. 3. Cztery obiekty w przestrzeni trójwymiarowej. Średnia ważona ich położeń daje w wyniku położenie środka masy układu, pominięte dla większej czytelności rysunku.
Źródło: Politechnika Warszawska, Wydział Fizyki, licencja: CC BY 4.0.

Przykład 3 – środek masy układu czterech jednakowych kul w dwóch wymiarach

Współrzędne środka masy dla każdej z tych osi wyznaczamy niezależnie, tak jak we wcześniejszych przykładach. Weźmy przykład czterech jednakowych kul zlokalizowanych w wierzchołkach prostokąta o bokach długości x0, y0, jak na Rys. 4.:

R9uuZqmD7UsJl
Rys. 4. Układ czterech kul o jednakowych masach, omawiany w przykładzie 3
Źródło: Politechnika Warszawska, Wydział Fizyki, licencja: CC BY 4.0.

Gdzie znajduje się środek tego układu? Musimy oddzielnie znaleźć położenie dwóch współrzędnych: r s = [ x s ; y s ] , czyli oddzielnie przeprowadzimy sumowanie dla współrzędnej xy, jak na Rys. 5.:

RlSSPy9tHDnQF
Rys. 5. Układ czterech kul o jednakowych masach – rozwiązanie Przykładu 3.
Źródło: Politechnika Warszawska, Wydział Fizyki, licencja: CC BY 4.0.
xs=m1x1+m2x2+m3x3+m4x4m1+m2+m3+m4=0+0+mx0+mx0m+m+m+m=2mx04m=12x0,
ys=m1y1+m2y2+m3y3+m4y4m1+m2+m3+m4=0+my0+0+my0m+m+m+m=2my04m=12y0.

Zatem współrzędne punktu będącego środkiem masy tego układu to (12x0,12y0). Jak widać jest to punkt leżący „pośrodku” tego układu, czyli w miejscu przecięcia się przekątnych tej figury.

Przykład 4 – środek masy układu czterech różnych kul w dwóch wymiarach

Oczywiście taka sytuacja jak w Przykładzie 3 ma miejsce, jeśli wszystkie części układu mają tę samą masę. Nie musi tak być; przyjrzyjmy się sytuacji, gdy czwarta kula będzie miała siedem razy większą masę od pozostałych kul:

xs=m1x1+m2x2+m3x3+m4x4m1+m2+m3+m4=m0+m0+mx0+7mx0m+m+m+7m=8x010=0,8x0,
ys=m1y1+m2y2+m3y3+m4y4m1+m2+m3+m4=m0+my0+m0+7my0m+m+m+7m=8y010=0,8y0.

Zatem współrzędne środka masy tego układu to [ 0 , 8 x 0 ; 0 , 8 y 0 ] , co przedstawiono na Rys. 6.:

R1cAjzYOmVOw2
Rys. 6. Układ z czterema kulami, gdzie jedna ma siedmiokrotnie większą masę niż pozostałe, omawiany w Przykładzie 4
Źródło: Politechnika Warszawska, Wydział Fizyki, licencja: CC BY 4.0.

W powyższych przykładach używaliśmy punktowych mas, czyli takich, których rozmiar i kształt nie miał znaczenia w rozważanym przypadku. Jednakże możemy analogiczne rozumowanie poszukiwania środka masy przeprowadzić dla dowolnego przedmiotu – np. zastanowić się, gdzie leży środek masy kuli. Gdybyśmy podzielili tę kulę na bardzo dużo bardzo małych elementów i przeprowadzili analogiczne sumowanie, jak w przypadku wielu elementów, dojdziemy do oczekiwanego wniosku, że środek masy znajduje się w geometrycznym środku kuli. Uogólniając, możemy stwierdzić, że jeśli przedmiot wykonany jest z jednorodnego materiału, to jego środek masy znajduje się w jego środku geometrycznym, jak na Rys. 7.:

R1LFNM7wUhmvU
Rys. 7. Położenie środka masy w przypadku wybranych figur geometrycznych
Źródło: Politechnika Warszawska, Wydział Fizyki, licencja: CC BY 4.0.

Ciało o bardziej skomplikowanym kształcie możemy podzielić na kilka mniejszych, o prostszych kształtach, wyznaczyć dla każdego z nich jego środek masy, a następnie zgodnie z podanymi na początku wzorami znaleźć środek masy takiego układu.

Przykład 5 – środek masy układu brył

Mamy trzy deski o długościach l = 1 m i grubości h = 5 cm i szerokości d = 10 cm wykonane z różnego rodzaju drewna, ustawione jak na Rys. 8. Dwie ustawione pionowo są wykonane z sosny (gęstość ρ s=700kgm3), a deska ustawiona poziomo z dębu ( ρ d=1080kgm3). Chcemy wyznaczyć środek masy tego układu ciał. Rozwiązanie tego problemu będzie składało się z trzech etapów.

Najpierw obliczymy masę każdego z elementów, wiedząc, że masa to iloczyn gęstości i objętości,

m1=m3=Vρs=lhdρs=1m0,05m0,1m700kgm3=3,5kg
m2=Vρd=lhdρd=1m0,05m0,1m1080kgm3=5,4kg

W drugim etapie geometrycznie ustalimy położenie środka masy każdej z tych desek, sprowadzając cały układ do prostszego, jak na Rys. 8.:

R6usmZDEKDU7d
Rys. 8. Układ trzech desek opisany w Przykładzie 5.
Źródło: Politechnika Warszawska, Wydział Fizyki, licencja: CC BY 4.0.

Pozostaje obliczyć xsys, wiedząc, że środek masy każdej z desek znajduje się na przecięciu jej przekątnych, czyli w połowie jej długości i szerokości:

Podsumowując, (xs,ys)=(50cm;30,4cm)

RxzJgEgJUvG47
Rys. 9. Położenie środka masy całego układu zaznaczono na czerwono, a środków mas poszczególnych desek na czarno
Źródło: Politechnika Warszawska, Wydział Fizyki, licencja: CC BY 4.0.

Przyjrzyjmy się temu wynikowi – jest on zgodny z analizą symetrii rozkładu masy w tym układzie. W przypadku osi poziomej ciężar jest rozłożony symetrycznie względem pionowej przerywanej linii – mamy identyczną deskę z prawej i lewej strony, stąd środek masy znajduje się właśnie pośrodku, na tej osi. W przypadku osi Y nie ma deski „górnej”, co sprawia, że środek masy jest przesunięty w dół, w stronę dolnej deski. Ponieważ wymiary desek są identyczne, a dolna wykonana jest z gęstszego drewna, jest masywniejsza, więc środek masy jest bliżej jej krawędzi niż byłby, gdyby wszystkie trzy deski wykonane były z tego samego drewna (co możesz sprawdzić własnymi obliczeniami).

Jeśli ciało jest niejednorodne, czyli o zmiennej gęstości, postępujemy analogicznie – trzeba je podzielić na tak małe elementy, aby ich gęstość była w dobrym przybliżeniu stała, a następnie przeprowadzić sumowanie.

Weźmy przykład akwarium z wodą, do którego wsypano dużą ilość soli, bez mieszania, jak na Rys. 10. Dolna warstwa będzie warstwą roztworu nasyconego soli, o dużej gęstości, a górna będzie wodą słodką, o mniejszej gęstości. Taki układ podzielimy na dwie części, obliczając środek masy każdego z nich oddzielnie, jak na Rys. 11.:

RWLkSViW4NPU3
Rys. 10. Zbiornik ze słoną i słodką wodą
Źródło: Politechnika Warszawska, Wydział Fizyki, licencja: CC BY 4.0.
R1GGAiXJPlGcJ
Rys. 11. Położenie środka masy każdej z części składowych układu
Źródło: Politechnika Warszawska, Wydział Fizyki, licencja: CC BY 4.0.

Położenie środka masy możemy wyznaczyć również eksperymentalnie w bardzo prosty sposób – jeśli mamy w ręku np. deskę czy cegłę, możemy zmieniać punkt podparcia, szukając wzdłuż różnych osi miejsca, w którym podparte ciało zachowuje równowagę. Punkt podparcia, oś i środek masy wyznaczają płaszczyznę. Przecięcie trzech różnych takich płaszczyzn wyznaczy nam środek masy przedmiotu.

Możemy również wprawić ciało w ruch obrotowy (np. rzucić nim tak, żeby się obracało w locie wokół którejś osi) i obserwować wokół jakiej osi będzie wirowało – będzie to oś przechodząca przez środek masy. Inną prostą metodą jest zawieszenie ciała na sznurku – niezależnie, w którym punkcie zostanie ono zaczepione, zawsze ustawi się tak, że środek masy będzie wypadał na osi wyznaczonej przez nitkę, jak pokazuje Rys. 12.:

R1Ui5FohMbGzK
Rys. 12. Schemat eksperymentu pozwalającego ustalić położenie środka masy obiektu o złożonym kształcie
Źródło: Politechnika Warszawska, Wydział Fizyki, licencja: CC BY 4.0.

Powtarzając to doświadczenie dla trzech różnych punktów zaczepienia, ustalimy, gdzie znajduje się środek masy – będzie to punkt, w którym przecinają się te osie.

Słowniczek

Punkt materialny 
Punkt materialny 

bezwymiarowy obiekt obdarzony masą.