Механические приложения криволинейного интеграла 1-го рода
Масса
$\mathbf { \textit { m } } $ материальной кривой $\mathop { AB } \limits^\cup $ с плотностью $\mu (\mathbf { \textit { x } } $,$\mathbf { \textit { y } } $,$\mathbf { \textit { z } } )$ вычисляется по формуле $m=\int\limits_ { \mathop { AB } \limits^\cup } { \mu (x,y,z)d\ell } $.
Пример 1
Найти массу четверти лемнискаты $r^2=a^2\cos 2\varphi $, если плотность выражается формулой $\mu (\mathbf { \textit { x } } $,$\mathbf { \textit { y } } )=k\sqrt { x^2+y^2 } =kr$.
Решение:
$r=a\sqrt { \cos 2\varphi } $, $ { r } '=-a\frac { \sin 2\varphi } { \sqrt { \cos 2\varphi } } $ , поэтому
$m=\int\limits_ { \mathop { AB } \limits^\cup } { krd\ell } = k\int\limits_0^ { \pi / 4 } { a\sqrt { \cos 2\varphi } } \cdot \sqrt { a^2\cos 2\varphi +\frac { a^2\sin ^22\varphi } { \cos 2\varphi } } d\varphi = \frac { 1 } { 4 } \pi ka^2$
Статические моменты и координаты центра масс
Пусть плоская материальная кривая $\mathop { AB } \limits^\cup $ имеет плотность $\mu (\mathbf { \textit { x } } $,$\mathbf { \textit { y } } )$.
Статический момент относительно оси $\mathbf { \textit { Ox } } $ определяется по формуле $M_x =\int\limits_ { \mathop { AB } \limits^\cup } { y\mu (x,y)d\ell } $, относительно оси Oy: $M_y =\int\limits_ { \mathop { AB } \limits^\cup } { x\mu (x,y)d\ell } $.
Аналогично, статические моменты пространственной кривой относительно координатных плоскостей вычисляются по формулам $ M_ { xy } =\int\limits_ { \mathop { AB } \limits^\cup } { z\mu d\ell } , \quad M_ { xz } =\int\limits_ { \mathop { AB } \limits^\cup } { y\mu d\ell } , \quad M_ { yz } =\int\limits_ { \mathop { AB } \limits^\cup } { x\mu d\ell } $
Координаты центра масс могут быть найдены по формулам
$x_c =\frac { M_ { y } } { m } ,\quad \;y_c =\frac { M_ { x } } { m } \quad $ - для плоской кривой;
$x_c =\frac { M_ { yz } } { m } ,\quad \;y_c =\frac { M_ { xz } } { m } ,\quad \;z_c =\frac { M_ { xy } } { m } \quad -$ для пространственной кривой, где $\mathbf { \textit { m } } $ - масса кривой.
Пример 1
Найти центр масс четверти однородной окружности $x^2+y^2=a^2,x\geqslant 0,y\geqslant 0$
Решение:
Можно считать, что $\mu =1$. Тогда масса кривой равна ее длине $m=\frac { 2\pi a } { 4 } =\frac { \pi a } { 2 } $. Статический момент $M_x $ равен $ M_x =\int\limits_ { \mathop { AB } \limits^\cup } { yd\ell } =\int\limits_0^a { \sqrt { a^2-x^2 } \cdot \sqrt { 1+\frac { x^2 } { a^2-x^2 } } dx } =a^2. $ Из соображений симметрии $M_y =M_x $, поэтому координаты центра масс равны $ x_c =\frac { M_y } { m } =\frac { 2a } { \pi } ,\quad \;y_c =\frac { M_x } { m } =\frac { 2a } { \pi } . $
Моменты инерции
Моменты инерции плоской кривой $\mathop { AB } \limits^\cup $с плотностью $\mu $ относительно координатных осей вычисляются по формулам $ I_ { Ox } =\int\limits_ { \mathop { AB } \limits^\cup } { y^2\mu d\ell } , \quad I_ { Oy } =\int\limits_ { \mathop { AB } \limits^\cup } { x^2\mu d\ell } ; $ моменты инерции относительно начала координат $ I_0 =\int\limits_ { \mathop { AB } \limits^\cup } { (x^2+y^2)\mu d\ell } =I_x +I_y $ В случае пространственной кривой моменты инерции относительно координатных осей и начала координат определяются по формулам $ I_ { Ox } =\int\limits_ { \mathop { AB } \limits^\cup } { (y^2+z^2)\mu d\ell } , \quad I_ { Oy } =\int\limits_ { \mathop { AB } \limits^\cup } { (x^2+z^2)\mu d\ell } , \quad I_ { Oz } =\int\limits_ { \mathop { AB } \limits^\cup } { (x^2+y^2)\mu d\ell } , \quad I_0 =\int\limits_ { \mathop { AB } \limits^\cup } { (x^2+y^2+z^2)\mu d\ell =\frac { I_ { Ox } +I_ { Oy } +I_ { Oz } } { 2 } } . $
Пример 1
Найти момент инерции относительно оси $\mathbf { \textit { Oz } } $ однородной винтовой линии $\mu =1\mathbf { \textit { x } } =\mathbf { \textit { a } } cos \mathbf { \textit { t } } , \mathbf { \textit { y } } =\mathbf { \textit { a } } sin \mathbf { \textit { t } } , \mathbf { \textit { z } } =\mathbf { \textit { at } } ; 0 \leqslant \mathbf { \textit { t } } \leqslant 2\pi $
Решение:
$I_ { Oz } =\int\limits_ { \mathop { AB } \limits^\cup } { (x^2+y^2)\mu d\ell } =\int\limits_0^ { 2\pi } { (a^2\cos ^2t+a^2\sin ^2t)\sqrt { a^2+a^2\sin ^2t+a^2\cos ^2t } dt=a^3\sqrt 2 \int\limits_0^ { 2\pi } { dt=2\sqrt 2 \pi a^3 } } $.
Инструмент для тех, кто проверяет расчёты руками
✍ Если вам регулярно приходится верифицировать ручные интегралы, строить эпюры для КМ/КМД или перепроверять закрытые «чёрные ящики» коммерческих САПР, загляните в мой открытый проект:
Читайте также:
Выражение площади плоской области через криволинейный интеграл
Вычисление криволинейного интеграла второго рода в случае выполнения условия независимости от формы
Условия независимости криволинейного интеграла от пути интегрирования
Формула Грина
Вычисление криволинейного интеграла второго рода. Примеры.
Свойства криволинейного интеграла второго рода
Определение криволинейного интеграла второго рода
Вычисление криволинейного интеграла первого рода. Плоский случай
Вычисление криволинейного интеграла первого рода. Примеры
Криволинейный интеграл первого рода: основы и примеры применения
Криволинейный интеграл: введение в понятие и основные применения
Оглавление $\Rightarrow $