重心の位置(2次元における2質点系)

<2次元>

〇2質点系

質点系の重心 (center of gravity) は質点にはたらくすべての重力の合力の作用点である.したがって,重心 G を通る回転軸(鉛直方向と平行ではない)を考えると,その回転軸のまわりの2質点系にはたらく重力のモーメント(moment)の和は 0 になる(2質点系を重心で支えると回転しない).

重心の位置(2次元における2質点系)

図のように,硬くて軽い棒で繋がった質量 m 1   〔 k g 〕 , m 2   〔 k g 〕 の2つの質点が xy 平面上にあるとし, z 軸の負の向きを鉛直下向きにとる(重力はz軸の負の向きにはたらく).

この2次元平面上における各質点の座標をそれぞれ ( x 1 , y 1 )   〔 m 〕 , ( x 2 , y 2 )   〔 m 〕 とし,重心 G の座標を rG → = ( xG , yG ) とする.この2質点系について,重心 G を通って y 軸に平行な軸のまわりの重力のモーメントのつり合い条件

m 1 g ( x G − x 1 ) − m 2 g ( x 2 − x G ) = 0

から,重心の x 座標 xG は

m 1 x G − m 1 x 1 − m 2 x 2 + m 2 x G = 0

( m 1 + m 2 ) x G = m 1 x 1 + m 2 x 2

x G = m 1 x 1 + m 2 x 2 m 1 + m 2   〔 m 〕

と求まる.同様に, 重心 G を通って x 軸に平行な軸のまわりの重力のモーメントのつり合い条件

m 1 g ( y G − y 1 ) − m 2 g ( y 2 − y G ) = 0

から,重心の y 座標 yG は

m 1 y G − m 1 y 1 − m 2 y 2 + m 2 y G = 0

( m 1 + m 2 ) y G = m 1 y 1 + m 2 y 2

y G = m 1 y 1 + m 2 y 2 m 1 + m 2   〔 m 〕

と求まる.したがって,2次元における2質点系の重心Gの座標は,

r G → = ( m 1 x 1 + m 2 x 2 m 1 + m 2 , m 1 y 1 + m 2 y 2 m 1 + m 2 )   〔 m 〕

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学生スタッフ作成

2025年10月21日