background image

 

Prof. Edmund Wittbrodt 

Siła ciężkości 

 

 

 

 

 

 

 

 

Siła ciężkości (ciężar, siła grawitacyjna Ziemi)       

m

g

R

m

M

k

Q

=

=

2

,             

 gdzie:  k – stała grawitacyjna,  M – masa Ziemi,  

R – promień Ziemi, 

2

R

M

k

g

=

 – przyspieszenie ziemskie 

 

=

i

i

Q

Q

 

=

=

=

)

(

)

(

)

(

V

V

Q

gdV

dV

dQ

Q

ρ

γ

,                 dla:   g=const              

m

g

dV

g

Q

V

=

=

)

(

ρ

  

 

 

γ

 

=const              

V

dV

Q

V

=

=

γ

γ

)

(

 

 

 

ρ

,

g

 

=const              

V

dV

g

Q

V

=

=

γ

ρ

)

(

 

gdzie:  

γ

  – ciężar właściwy [N/m

3

ρ

 – gęstość materiału (masa właściwa) [kg/ m

3

]  

Q

1

Q

 

Q

2

n

Q

background image

 

Prof. Edmund Wittbrodt

Środki ciężkości 

 
Dla układu sił równoległych istnieje punkt leżący na wypadkowej tego układu, mający taką własność, że nie ulega zmianie, 
gdy  wszystkie  siły  obrócimy  dookoła  ich  punktów  zaczepienia  o  dowolny,  stały  dla  wszystkich  sił  kąt.  Punkt  ten 
nazywamy środkiem sił równoległych

 
 
 
 

Ś

rodek sił równoległych 

 
 
 
 
 
 

Jeżeli  weźmiemy  pod  uwagę  elementarne  siły  ciężkości  ciała,  które  są  także  układem  sił  równoległych,  to  ich  środek 
nazywamy środkiem ciężkości i oznaczamy najczęściej literą C

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Elementarne siły ciężkości i siła ciężkości 

 

W

P

2

o S – środek sił równoległych 

P

1

 

ϕ

 

ϕ

 

ϕ

 

Q

1

Q

 

Q

2

n

Q

background image

 

Prof. Edmund Wittbrodt

Współrzędne środka ciężkości określamy wychodząc z założenia, że skutek działania całkowitego ciężaru ciała musi być 
taki sam jak elementarnych sił ciężkości tego ciała razem wziętych. Dla bryły przedstawionej na rysunku zapisujemy więc: 

 

Q

dQ

=

 

O

C

M

r

Q

r

dQ

=

×

=

×

(2.43) 

 

 
 
 

Współrzędne środka ciężkości równoważnych układów sił 

 
 
 
 
 
 
 

 
przy czym równania (2.43) są spełnione, gdy: 

 

Q

dQ

=

 

C

x Q

xdQ

=

,     

C

y Q

ydQ

=

(2.43a) 

Natomiast  zależność  na  współrzędną  z

C

  środka  ciężkości  otrzymamy  z  równania  momentów  bryły,  które  napiszemy  dla 

bryły obróconej, najprościej o kąt 90°  

 

C

z Q

zdQ

=

(2.43b) 

y

C

 

x

z

Q

 

C

r

 

r

 

d

Q

 

dV 

 

background image

 

Prof. Edmund Wittbrodt

Z zależności (2.43) otrzymamy wzory służące do wyznaczenia współrzędnych środków ciężkości bryły. Mają one postać: 

 

C

xdQ

x

Q

=

,   

C

ydQ

y

Q

=

,   

C

zdQ

z

Q

=

(2.44) 

 
Jeżeli  mamy  do  czynienia  z  bryłą,  która  daje  się  podzielić  na  n  elementów  o  skończonych  wymiarach  i  o  znanych 
współrzędnych środków ciężkości, to całki w (2.44) możemy zastąpić sumami: 

 

1

n

i

i

i

C

x Q

x

Q

=

=

,   

1

n

i

i

i

C

y Q

y

Q

=

=

,   

1

n

i

i

i

C

z Q

z

Q

=

=

(2.45) 

 
 
 
 
 
 
 
 

                                                                                             Bryła złożona z n elementów

 

 
 
 
 

 
 

Ze  względu  na  rozkład  masy  w  objętości,  ciała  dzielimy  na  ciała  jednorodne,  gdy 

γ

=  const,  i  ciała  niejednorodne,  gdy 

γ

= varia, przy czym 

0

lim

V

Q

dQ

V

dV

γ

=

=

C

i

 

z

x

y

i–ty element 

background image

 

Prof. Edmund Wittbrodt

Ze względu na kształt i wymiary ciała dzielimy na: 
 
1) linie materialne (druty, pręty) – ciała, w których dwa wymiary są pomijalne w stosunku do trzeciego 

 

γ

=

dQ

Sdl

(2.46) 

a zatem 

γ

=

=

Q

dQ

SL

 – dla linii jednorodnej i o stałym przekroju S

 
 

                                                                                 Linia materialna 

 
 
 
 
 
 
 
 
 

2) powierzchnie (blachy, płyty, skorupy) – ciała, w których jeden wymiar jest pomijalny w stosunku do dwóch pozostałych 

 

γ

=

dQ

hdS

(2.47) 

a zatem 

γ

=

=

Q

dQ

hS

 – dla powierzchni jednorodnej i o stałej grubości h

 

                                                                                              Powierzchnia materialna

 

 
 
 
 
 

dl 

dQ 

S=const 

S, Q 

dS, dQ 

h=const 

background image

 

Prof. Edmund Wittbrodt

3) bryły – ciała, w których trzy wymiary są znaczące 

 

γ

=

dQ

dV

(2.48) 

a zatem 

γ

=

=

Q

dQ

V

 – dla bryły jednorodnej. 

 

                                                                                                               Bryła materialna

 

 
 
 

W  praktyce  najczęściej  mamy  do  czynienia  z  liniami  materialnymi  jednorodnymi  i  o  stałym  przekroju,  powierzchniami 
jednorodnymi  i  o  stałej  grubości  oraz  z  bryłami  jednorodnymi.  Podstawiając  zatem  zależności  (2.46),  (2.47)  i  (2.48)  do 
równań (2.44) otrzymujemy: 
 
1) dla linii materialnej (

γ

S = const) 

 

C

xdl

x

l

=

,   

C

ydl

y

l

=

,   

C

zdl

z

l

=

(2.49) 

2) dla powierzchni (

γ

h = const) 

 

C

xdS

x

S

=

,   

C

ydS

y

S

=

,   

C

zdS

z

S

=

(2.50) 

3) dla bryły (

γ

 = const) 

 

C

xdV

x

V

=

,   

C

ydV

y

V

=

,   

C

zdV

z

V

=

(2.51) 

W tabeli zestawiono wzory na współrzędne środków ciężkości podstawowych figur i brył geometrycznych. 

 

V, Q 

dV, dQ 

background image

 

Prof. Edmund Wittbrodt

Tabl. 2.4 Współrzędne środków ciężkości (środków geometrycznych) podstawowych figur i brył 

Figura 

x

y

z

Odcinek 

2

l

 

Odcinek łuku 

α

α

sin

R

 

Prostokąt 

2

a

 

2

b

 

Trójkąt 

3

h

 

x

2

α

 

background image

 

Prof. Edmund Wittbrodt

Wycinek koła 

α

α

sin

3

R

 

Prostopadłościan 

2

a

 

2

b

 

2

c

 

Stożek 

4

H

 

Półkula 

R

8

3

 

 

 

2

α