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* 工程力学教程电子教案 重心和形心 * 第5章 重心和形心 §5-1 重心和形心的坐标公式 §5-2 确定重心和形心位置的具体方法 地球表面或表面附近的物体都会受到地心引力。任一物体事实上都可看成由无数个微元体组成,这些微元体的体积小至可看成是质点。任一微元体所受重力(即地球的吸引力)ΔPi ,其作用点的坐标xi、yi、zi与微元体的位置坐标相同。所有这些重力构成一个汇交于地心的汇交力系。由于地球半径远大于地面上物体的尺寸,这个力系可看作一同向的平行力系,而此力系的合力称为物体的重力。 z x y P ΔPi Ci C C1 ΔP1 x1 y1 xC yC xi yi z1 zC zi o 平行力系合力的特点:如果有合力,则合力作用线上将有一确定的点C,当原力系各力的大小和作用点保持不变,而将各力绕各自作用点转过同一角度,则合力也绕C点转过同一角度。 C点称为平行力系的中心。对重力来说,则为重心。 z x y P ΔPi Ci C C1 ΔP1 x1 y1 xC yC xi yi z1 zC zi o 重心的位置对于物体的相对位置是确定的,与物体在空间的位置无关。 重心位置的确定在实际中有许多的应用。例如,电机、汽车、船舶、飞机以及许多旋转机械的设计、制造、试验和使用时,都常需要计算或测定其重心的位置。 z x y P ΔPi Ci C C1 ΔP1 x1 y1 xC yC xi yi z1 zC zi o §5-1 重心和形心的坐标公式 1. 重心坐标的一般公式 z x y P ΔPi Ci C C1 ΔP1 x1 y1 xC yC xi yi z1 zC zi o 右图认为是一个空间力系,则 P=∑ΔPi 合力的作用线通过物体的重心,由合力矩定理 同理有 为确定 zC ,将各力绕y轴转90o ,得 2. 均质物体的重心坐标公式 即物体容重g 是常量,则 z x y P ΔPi Ci C C1 ΔP1 x1 y1 xC yC xi yi z1 zC zi o 上式也就是求物体形心位置的公式。对于均质的物体,其重心与形心的位置是重合的。 z x y P ΔPi Ci C C1 ΔP1 x1 y1 xC yC xi yi z1 zC zi o 3. 均质等厚薄板的重心和平面图形的形心 对于均质等厚的薄板,如取平分其厚度的对称平面为xy平面,则其重心的一个坐标zC 等于零。设板厚为d ,则 有 V =A·d, ΔVi = ΔAi·d 则 上式也即为求平面图形形心的公式。 §5-2 确定重心和形心位置的具体方法 (1) 积分法; (2) 组合法; (3) 悬挂法; (4) 称重法。 具体方法: 1. 积分法 对于任何形状的物体或平面图形,均可用下述演变而来的积分形式的式子确定重心或形心的具体位置。对于均质物体,则有 z x y P ΔPi Ci C C1 ΔP1 x1 y1 xC yC xi yi z1 zC zi o 若为平面图形,则 求图示半圆形的形心位置。 C 2R .O 例题 5-1 解:建立如图所示坐标系,则 xC= 0 现求 yC 。 则 例题 5-1 b(y) y dy C 2R .O x y 代入公式有 例题 5-1 C 2R .O x y 2. 组合法 当物体或平面图形由几个基本部分组成,而每个组成部分的重心或形心的位置又已知时,可按第一节中得到的公式来求它们的重心或形心。这种方法称为组合法。 下面通过例子来说明。 角钢截面的尺寸如图所示,试求其形心位置。 y 150 20 x 20 200 O 例题 5-2 解:取Oxy坐标系如图所示,将角钢分割成两个矩形,则其面积和形心为: A1 =(200-20)×20=3600 mm2 x1 = 10 mm y1 = 110 mm A2 = 150×20=3000 mm2 x2 = 75 mm y2 = 10 mm 例题 5-2 y 150 20 x 20 200 O 1 2 由组合法,得到 xC = A1 + A2 A1 x1 + A2 x2 = 39.5 mm yC = A1 + A2 A1 y1 + A2 y2 = 64.5 mm 另一种解法: 负面积法 将截面看成是从200mm×150mm的矩形中挖去图中的小矩形(虚线部分)而得到,从而 A1 = 200×150= 30000 mm2 例题 5-2 150 20 x 20 200 O y 1 2 y 150 20 x
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