系统质心位置是指一个由多个质点组成的系统所具有的假想质点位置,该位置满足以下条件:
质量加权平均位置 质心是系统中所有质点质量的加权平均位置,计算公式为:
$$
\vec{R}_c = \frac{\sum_{i=1}^N m_i \vec{r}_i}{\sum_{i=1}^N m_i}
$$
其中,$m_i$ 表示第 $i$ 个质点的质量,$\vec{r}_i$ 表示其位置向量,$N$ 为质点总数。
假想点特性
质心是一个假想点,实际并不存在。它仅用于简化分析,例如计算合外力(如重力、张力等)的等效作用点。
与重心的区别
- 质心不依赖于重力场,即使系统在非均匀重力场中,质心位置也不变。
- 重心是物体在重力场中受到的合外力为零的点,仅适用于均匀重力场。
坐标系无关性
质心位置与坐标系选择无关,但具体数值会随坐标系变化。例如,在直角坐标系中,质心坐标 $(X_c, Y_c, Z_c)$ 可通过上述公式计算。
应用场景
质心在静力学、动力学及工程学中应用广泛,例如:
- 分析物体平衡条件
- 计算转动惯量
- 设计机械结构稳定性
示例:
对于质量分布均匀的三角形薄板,其质心位于几何中心(重心);而对于质量分布不均的物体,质心可能偏离几何中心。
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