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重心の求め方と運動〜投げた物体の重心が描く放物線

回転しながら飛ぶハンマーの軌跡は、目で追うと複雑です。柄の先も頭も、上がったり下がったりしながら進む。

それでも 点だけは、きれいな放物線を描きます[2]。その点が重心で、物体を 個の粒子として扱ってよい場所になる。

重心は質量で重みをつけた平均の位置

質点がいくつかあるとき、重心の位置は次の式で決まります[3]

ふつうの平均は全部を同じ重みで足しますが、こちらは質量を重みにする。重い質点のほうへ寄った位置になります。

方向も 方向も同じ形の式で出る。向きごとに独立して計算できます。

例:2 つのおもりの重心

を置きます。

真ん中の ではなく、重いほうへ 寄りました。距離の比は で、質量の比の逆になっている。

てこのつり合いと同じ形になります。重心は、支えたときにつり合う点でもある。

複雑な形は分けて足す

一様な板なら、質量のかわりに面積を重みにできます。板を長方形や三角形に切り分け、それぞれの重心を出して足し合わせる[1]

例:L 字の板の重心

、縦 の部分と、横 、縦 の部分に分けます。面積は

左下を原点にとると、それぞれの重心は になる。

重心は です。この点は板の外にある。L 字やドーナツのように、重心が物体の内部にない形はふつうにあります。

穴があいた板は引き算で出す

切り抜いた部分を、負の質量を持つ図形として足します[1]。分けて足すのと同じ式が使え、符号だけが変わる。

の正方形から、右上の の正方形を切り抜いた板を考えます。

もとの正方形は面積 で重心は 、切り抜いた部分は面積 で重心は

も同じ計算で になります。切り抜いたぶんだけ、重心が反対側へずれた。

重心が動くのは外から力が加わったときだけ

物体を細かい質点の集まりと見て、 つずつ運動方程式を書いて足します。質点どうしが及ぼし合う力は、作用反作用で対になって消える[3]

残るのは外から加わった力だけです[4]。その合計を と書く。

全質量が重心に集まった 個の粒子として扱ってよい、と読めます。これを重心の運動の法則という[4]

内部でどれだけ複雑に動いていても、重心の動きには効きません。回転していても、ばねで振動していても同じ。

空中で分裂しても重心は変わらない

打ち上げ花火が上空で開くとき、破片は四方へ飛び散ります。それでも破片全体の重心は、開く前と同じ放物線をたどる。

火薬が押し出す力は、破片どうしが及ぼし合う内力だからです[4]。合計すると になり、重心には効きません。

外から加わっているのは重力だけになる。だから重心は、何ごともなかったように落ち続けます。

内力

物体の内部で及ぼし合う力。作用反作用で対になり、合計すると消える。重心の動きを変えない

外力

外から加わる力。重力や垂直抗力や摩擦がこれにあたる。合計が重心の加速度を決める

吊るして探す

計算しにくい形でも、実験なら重心を出せます[2]。物体の 点を糸で吊るし、糸の延長線を書き込む。

別の点で吊るして同じ線を引くと、 本の線が交わります。その交点が重心にあたる。

吊るした物体が回らずに止まるのは、重力の作用線が支点を通っているときだけ。この条件が重心の位置を教えてくれます。

厳密には、重心と質量中心は別の言葉です。重力が場所によらず一様なら、 つは同じ点になる。

質量の分布だけで決まる点。重力がない宇宙空間でも定義でき、物体の回転や衝突の基準として使われる。

分裂したあとの重心

ばねや火薬が押し出す力は、系の内側でやりとりされるだけです。外からの力が加わらなければ、重心は何も起きていないかのようにふるまう。

静止した の物体が、内部のばねの力で に分かれました。 のほうが右へ で動いたとき、重心はどう動きますか。

  • 右へ で動く
  • 左へ で動く
  • 静止したまま動かない
  • 右へ で動く
__RESULT__

ばねの力は内力なので、重心には効きません。外力の合計が なら重心の加速度も で、もともと静止していた重心は静止したまま。 のほうが左へ で動くことは、運動量保存から出ます。

つまずきやすいところ

重心が必ず物体の内部にあると考えると外します。L 字やドーナツでは外に出る。
一様な板の重心を、外形の中心と決めてかかると誤りです。切り欠きがあればずれます。
穴の部分を無視して計算すると合わない。負の面積として引きます。
内部で力を及ぼし合うと重心が動くと思うと外れる。動かすのは外力だけです。

参考文献

Center of Mass in Composite Bodies - Mechanics Map, Pennsylvania State University
Centre of mass - School of Physics, University of New South Wales
Der Schwerpunkt und die Bewegung des Systems - Institut für Theoretische Physik, Universität Frankfurt
Théorème du centre d'inertie - Université en ligne, UNISCIEL
重心は質量を重みにした平均の位置で、$x_G = \sum m_i x_i / \sum m_i$ で出ます。一様な板なら面積を重みにでき、L 字の板は $2$ つの長方形に分けて足すだけ。穴があいていれば負の面積として引きます。$6\ \mathrm{cm}$ 角の板から $2\ \mathrm{cm}$ 角を抜くと重心は $2.75\ \mathrm{cm}$ に寄る。内力は作用反作用で消えるので $M\vec{a}_G$ を決めるのは外力だけになり、回転しても分裂しても重心の軌跡は放物線のまま。糸で吊るして交点を探す方法まで。