2014年4月8日 星期二

這是所要證的:質心公式

啊!質心!人人聞之唯恐避不及的邪物!

質心在物理中算是很常見而且計算方便的假想地點。例如上面兩個質點AB,在他們的中心有著質心,距離各質點 dα 和 dβ (總和為 d),兩質點的質量分別為 mα 和 mβ。質點B的質量(mβ)較質點A大,故質心偏向質點B。
現在的問題並不是說要計算動能或速度之類的,而是這條公式:(底下所有代數接沿用上面那張圖)


先來看看質心(Center of Mass)的定義:


後面那個樣子很常在教科書中出現,因為他比較簡單好懂。質心就是以質量為加權的計算。算質心座標的話就把所有座標分別乘上對應質量,再除以總質量;質心速度就把所有質點的速度個別乘上每個質點的質量,加總後再一次除以總質量。
其實學生很常在高中(國中也一樣)碰到的問題是:質心位置無法確定

這是很正常的,因為大多數我們給初等教育學生的是純量計算。我們很少會真正用向量計算搭配座標軸下去計算,因為大多數時候向量計算出來的結果可以用純量表示,就像上面那條求質心和質點間距離的公式一樣,證明是向量,結論卻是純量。
因此,我們有必要好好審視一番。

首先,我們導入座標軸和向量:


我們要設定每個質點(包括質心)的位置向量(及他們的分量),接著來看看質心的座標要怎麼表示:

接著來看看 rα 和 rβ 的表示法:



接下來就是求 dβ 的部分了。請看:


事實上這是單就定義無法直接求得的,所以我才會特別強調向量運算。





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