Painopiste

Wikipedia
Loikkaa: valikkoon, hakuun
Painopisteen lainalaisuuksien vuoksi tätä lintulelua pystyy kannattelemaan yhdellä sormella sen nokasta.

Painopiste on, suuresti yksinkertaistaen, kappaleessa oleva kohta, johon kappaleelle luontainen painovoima vaikuttaa samalla tavalla kuin se vaikuttaa kappaleen jokaiseen kohtaan erikseen. Se on tavallaan kappaleeseen vaikuttavan painovoiman vaikutuspiste. Myös useampien kappaleen systeemeille tunnetaan painopisteen käsite.[1]

Jokaiseen kappaleen atomiin vaikuttaa pystysuora voima, joka on syntyisin esimerkiksi planeetta Maan gravitaatiokentästä. Maa vetää puoleensa kutakin atomia voimilla, jotka osoittavat lähes yhdensuuntaisina kohti Maan keskipistettä. Yhdensuuntaisina näiden voimien resultantti on samalla myös kappaleen paino. Käännettiinpä kappaletta painovoimakentässä eri asentoihin, kulkee kappaleen resultanttivoima, eli painovoima, aina yhden saman pisteen kautta. Tätä pistettä kutsutaan kappaleen painopisteeksi.[1]

Painovoima vaikuttaa kappaleeseen kuin sen koko massa olisi keskittynyt sen painopisteeseen. Siksi sitä kutsutaan myös massakeskipisteeksi. Massakeskipiste on kuitenkin eri asia kuin painopiste, sillä niiden paikat eroavat, jos painovoimakenttä ei ole homogeeninen. Massakeskipiste on kappaleen sisäinen ominaisuus, joka riippuu vain atomien painoista ja sijainneista eli massajakaumasta. Painovoima riippuu massajakauman lisäksi ulkopuolisen gravitaatiokentän rakenteesta.[2]

Painopisteen määritelmä[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Kappaleen eri osiin kohdistuvat painovoiman vetovoimat aiheuttavat samansuuruisen momentin referenssipisteen suhteen kuin painopisteeseen vaikuttava koko kappaleen paino. Asettamalla referenssipiste origoon, merkitsemällä kappaleen painopistettä x_0 ja kappaleen muiden osien pisteitä x_i sekä kappaleen painovoimaa G_0 ja muiden osien painoja G_i, voidaan momenttien avulla laskea koordinaatit

G_0x_0 = \sum G_ix_i \Leftrightarrow x_0 = \frac{\sum G_ix_i}{G_0}.

Jos painovoima on suoraan verrannollinen massaan eri kohdissa, voidaan supistaa putoamiskiihtyvyydet pois ja saadaan painopisteen koordinaateiksi samat koordinaatit kuin massakeskipisteelläkin

x_0 = \frac{\sum G_ix_i}{G_0} \Leftrightarrow x_0 = \frac{\sum m_igx_i}{m_0g} \Leftrightarrow x_0 = \frac{\sum m_ix_i}{m_0}.

Yleisempi määritelmä painopisteelle saadaan integroimalla massajakaumaa

x_0 = \frac{\int x \ dm}{\int dm}.

Muuta[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Kappaleen painopiste on piste, jonka kautta kappaleeseen kohdistuvan painon vaikutussuora kulkee kappaleen asennosta riippumatta. Jos kappaletta tuetaan painopisteestä, on kappale tasapainossa missä asennossa tahansa.

Kappaleen painopiste ei aina sijaitse itse kappaleen sisällä, vaikka näin useimmissa tapauksissa onkin. Esimerkiksi toruksen painopiste ei sijaitse itse kappaleessa.

Painopisteen määrittäminen[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Painopisteen x-koordinaatti saadaan kaavasta x_0=\frac{\sum{m_ix_i}}{\sum{m_i}}

ja y-koordinaatti vastaavasti kaavasta y_0=\frac{\sum{m_iy_i}}{\sum{m_i}}

Vastaavat integraaleina:  x_i = \frac{\int_A{x_i}dxdydz}{\int_A{}dxdydz}

Katso myös[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Lähteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Viitteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  1. a b Simons, Lennart: Fysiikka korkeakouluja varten, s. 32. Porvoo: WSOY, 1963.
  2. Lehto, Heikki et. al.: Fysiikka - Pyöriminen ja gravitaatio, s. 61-64. Helsinki: TAMMI, 2010. ISBN 978-951-31-5296-3.