Кіріспе
Таратылған массаның салмақталған салыстырмалы орны нөлге тең болатын ерекше нүкте. Физикада, кеңістіктегі масса таралуының масса орталығы (кейде барицентр немесе тепе-теңдік нүктесі деп аталады) – кез келген уақытта таратылған массаның салмақталған салыстырмалы орнының қосындысы нөлге тең болатын ерекше нүкте. Бұл нүктеге күш қолданғанда бұрыштық үдеусіз сызықтық үдеу тудыруға болады. Механикадағы есептеулер масса орталығына қатысты есептелгенде оңайлатылады. Бұл объектінің барлық массасы оның қозғалысын көру үшін шоғырланған деп есептеуге болатын гипотетикалық нүкте. Басқаша айтқанда, масса орталығы – бұл Нютонның қозғалыс заңдарын қолдану үшін берілген объектінің бөлшектік эквиваленті. Жеке қатаң дене үшін масса орталығы денеге қатысты бекітілген, ал дене біртекті тығыздыққа ие болса, ол центроидта орналасады. Масса орталығы физикалық дененің сыртында орналасуы мүмкін, мысалы, іші қуыс немесе ашық пішінді заттарда, сияқты ат тұмсығында. Жеке денелердің таралуы жағдайында, мысалы, Күн жүйесі планеталарында, масса орталығы жүйенің кез келген мүшесінің орнымен сәйкес келмеуі мүмкін. Масса орталығы – кеңістікте таратылған массаларды қамтитын механикадағы есептеулер үшін пайдалы анықтамалық нүкте, мысалы, планеталық денелердің сызықтық және бұрыштық импульсі және қатаң дене динамикасы. Орбиталық механикада планеталардың қозғалыс теңдеулері масса орталықтарында орналасқан нүктелік массалар ретінде құрастырылады (толық мәліметтер үшін Барицентр (астрономия) қараңыз). Масса орталығы шеңбері – жүйенің масса орталығы координаталар жүйесінің бастапқы нүктесіне қатысты тыныш болатын инерциялық шеңбер.
In physics, the center of mass of a distribution of mass in space (sometimes referred to as the barycenter or balance point) is the unique point at any given time where the weighted relative position of the distributed mass sums to zero. This is the point to which a force may be applied to cause a linear acceleration without an angular acceleration. Calculations in mechanics are often simplified when formulated with respect to the center of mass. It is a hypothetical point where the entire mass of an object may be assumed to be concentrated to visualise its motion. In other words, the center of mass is the particle equivalent of a given object for application of Newton's laws of motion. In the case of a single rigid body, the center of mass is fixed in relation to the body, and if the body has uniform density, it will be located at the centroid. The center of mass may be located outside the physical body, as is sometimes the case for hollow or open shaped objects, such as a horseshoe. In the case of a distribution of separate bodies, such as the planets of the Solar System, the center of mass may not correspond to the position of any individual member of the system. The center of mass is a useful reference point for calculations in mechanics that involve masses distributed in space, such as the linear and angular momentum of planetary bodies and rigid body dynamics. In orbital mechanics, the equations of motion of planets are formulated as point masses located at the centers of mass (see Barycenter (astronomy) for details). The center of mass frame is an inertial frame in which the center of mass of a system is at rest with respect to the origin of the coordinate system.
Тарих
Ауырлық орталығы немесе салмақ ұғымын ежелгі грек математигі, физигі және инженері Сиракузалық Архимед жан-жақты зерттеген. Ол гравитация туралы қарапайым шарттармен жұмыс істеді, бұл біркелкі өріс құруға мүмкіндік берді, соның нәтижесінде біз қазір масса орталығы деп атайтын математикалық қасиеттерге қол жеткізді. Архимед көрсеткендей, салмақтардың тетік бойындағы әртүрлі нүктелерде орналасуынан туындайтын тетікке әсер ететін момент, барлық салмақтарды бір нүктеге – олардың масса орталығына жылжытқандағы әсерге тең. "Суда жүзу туралы" еңбегінде Архимед жүзбелі дененің бағыты оның масса орталығын мүмкіндігінше төмендетуге бағытталғанын көрсетті. Ол әртүрлі анықталған пішіндердің біртекті тығыздықтағы дененің масса орталықтарын табуға арналған математикалық әдістерді әзірледі. Масса орталығы теориясына үлес қосқан басқа да ежелгі математиктер – Александриялық Герон және Александриялық Папп. Ренессанс және Жаңа заман дәуірлерінде Гидо Убальди, Франческо Мауролико, Федерико Командино, Евангелиста Торричелли, Симон Стевин, Лука Валерио, Жан-Шарль де ла Фейль, Пол Гулдин, Джон Уоллис, Кристиан Гюйгенс, Луи Карре, Пьер Вариньон және Алексис Клероның еңбектері осы ұғымды одан әрі дамытты. Эйлердің бірінші заңында Ньютонның екінші заңы масса орталығына қатысты қайта формулировкаланды.
Анықтама
Масса орталығы – кеңістіктегі масса таралуының ортасындағы бірегей нүкте, оған қатысты салмақталған координат векторларының қосындысы нөлге тең болады. Статистикадағыдай, масса орталығы – кеңістіктегі масса таралуының орташа орны.
Тағайындау
Дененің массалық орталығын эксперименттік жолмен анықтау денеге әсер ететін гравитация күштерін пайдаланады және массалық орталығының жер бетіне жақын параллель гравитациялық өрісте гравитациялық орталыққа тең екендігіне негізделген. Симметриялық осьі және тұрақты тығыздығы бар дененің массалық орталығы осы осьте жатуы керек. Осылайша, тұрақты тығыздықтағы дөңгелек цилиндрдің массалық орталығы цилиндр осінде орналасады. Сол сияқты, тұрақты тығыздықтағы шар тәрізді симметриялық дененің массалық орталығы шардың ортасында болады. Жалпы, кез келген дененің симметриясы үшін, оның массалық орталығы сол симметрияның өзгермейтін нүктесі болады.
Екі өлшемде
Массалық орталығын анықтаудың эксперименттік әдісі – затты екі нүктеден ілу және ілу нүктелерінен тік сызықтар түсіру. Екі сызықтың қиылысы – массалық орталық. Заттың пішіні математикалық тұрғыдан анықталған болуы мүмкін, бірақ белгілі формула қолдану үшін тым күрделі болуы ықтимал. Мұндай жағдайда күрделі пішінды қарапайым, элементар пішіндерге бөлуге болады, олардың массалық орталықтарын анықтау оңай. Егер әрбір бөліктің жалпы массасы мен массалық орталығын анықтау мүмкін болса, онда бүкіл заттың массалық орталығы – орталықтардың салмақтық орташасы болады. Бұл әдіс тіпті тесіктері бар заттар үшін де қолданылуы мүмкін, онда тесіктер теріс масса ретінде ескеріледі. Планиметрдің тікелей дамуы – интеграф немесе интегерометр, екі өлшемді бейтарап пішіннің центроид немесе массалық орталығының орнын анықтау үшін пайдаланылуы мүмкін. Бұл әдіс басқа әдістер тым қиын болған кезде, дұрыс емес, тегіс немесе күрделі шекарасы бар пішінге қолданылуы мүмкін. Кеме жасаушылар оны кеменің қажетті сусыруымен және жүзу орталығымен салыстыру үшін, сондай-ақ оның аударылып кетпеуін қамтамасыз ету үшін жиі пайдаланған.
Автомобильдік қолдану
Инженерлер спорттық машинаны оның салмақ орталығын төмендету арқылы жақсы басқару үшін, яғни өткір бұрыштарда жақсырақ ұстау үшін жасауға тырысады. АҚШ армиясының Humvee машинасының ерекше төмен пішіні, іргелес доңғалақтардың арасындағы кеңістікте салмақ орталығының төмен қалуын қамтамасыз ету арқылы, оның басқа көліктерге қарағанда көбірек қисайюына мүмкіндік беру мақсатында жасалған, тіпті көлденеңнен алшақ бұрыштарда да аударылмайды.
Аэронавтика
Масса орталығы – ұшақтың тұрақтылығына маңызды әсер ететін нүкте. Ұшақтың қауіпсіз ұшуын қамтамасыз ету үшін, масса орталығы белгіленген шекте болуы тиіс. Егер масса орталығы алғы шектен асып кетсе, ұшақтың маневрлеу қабілеті төмендейді, тіпті ұшып тұру үшін айналу немесе қону үшін жайлау мүмкін болмайды. Ал егер масса орталығы артқы шектен асып кетсе, ұшақ маневрлеуге оңайрақ болады, бірақ тұрақсыздыққа бейім, тіпті ұшу мүмкін болмайтын деңгейге жетеді. Рульдің (elevator) әсер ету қарымы да азаяды, бұл тоқтаудан кейін жағдайды түзетуді қиындатады. Тікұшақтар үшін тоқтаған кезде (hover) масса орталығы әрқашан ротор басының тікелей астында болады. Алға қарай ұшу кезінде масса орталығы, тікұшақты алға жылға беру үшін циклдік басқару қолданылғанда туындайтын теріс бұрылу моментін теңестіру үшін алға жылжиды; нәтижесінде, круиздік ұшу кезінде тікұшақ көлденең ұшуда "мұрыны төмен" күйде ұшады.
Астрономия
Масса орталығы астрономия және астрофизикада маңызды рөл атқарады, онда ол барицентр деп аталады. Барицентр – екі дененің бір-бірімен тепе-теңдікте болатын нүктесі; бұл екі немесе одан көп аспан денелерінің бір-бірін айналып жүрген масса орталығы. Ай планетаның төңірегінде айналғанда немесе планета жұлдыздың төңірегінде айналғанда, екі дене де негізгі (үлкен) дененің ортасынан тысқары орналасқан нүктеде айналады. Мысалы, Ай Жердің нақты ортасының төңірегінде емес, Жер мен Айдың ортасы арасындағы түзу бойындағы нүктеде, Жер бетінен шамамен 1710 км (1062 миль) төменде, олардың сәйкес массалары тепе-теңдікте болады. Осы нүктеде Жер мен Ай Күнді айналып жүреді. Егер массалар бір-біріне жақын болса, мысалы, Плутон мен Харон, барицентр екі дененің де сыртында орналасады.
Қауіпсіздік және тоқтау
Жабдықтау кезінде ауырлық орталығының орналасқан жерін білу өте маңызды, егер дұрыс емес деп есептелсе, ауыр жарақат немесе өлімге алып келуі мүмкін. Ауырлық орталығы көтеру нүктесінде немесе одан жоғары орналасқан жағдайда, құлап түсу қаупі жоғары. Жалпы алғанда, ауырлық орталығы көтеру нүктесінен қаншалықты төмен болса, көтеру соғұрлым қауіпсіз болады. Жүктің жылғалуы, жүктің беріктігі мен массасы, көтеру нүктелері арасындағы қашықтық және көтеру нүктелерінің саны сияқты басқа да факторларды ескеру қажет. Атап айтқанда, көтеру нүктелерін таңдағанда ауырлық орталығын ортаға және көтеру нүктелерінен жақсырақ төмен орналастыру өте маңызды.
Дене қозғалысы
Кинезиология мен биомеханикада массалық орталық – адамның қозғалысын түсінуге көмектесетін маңызды параметр. Әдетте, адамның массалық орталығы екі әдіспен анықталады: реакция тақтасы әдісі – адам аспапқа жатып, оның статикалық тепе-теңдік теңдеуін пайдаланып массалық орталығын табуға негізделген статикалық талдау; ал сегментация әдісі дене құрайтын жүйенің тотал моментінің, белгілі бір оське қатысты, дене бөліктерінің жеке моменттерінің қосындысына тең болуын математикалық тұрғыда есептейді. Бұл физикалық принципке негізделген.
Оңтайландыру
Грамоттылық центрі әдісі – дөңес оптимизацияға арналған әдіс, ол мүмкін болатын аймақтың ауырлық центрін пайдаланады.