질량 중심

지식 정보

해당 지식
받침점 위에 놓인 물체와 질량 중심을 나타내는 아이콘

계의 질량이 한 점에 모여 있다고 볼 수 있는 질량 중심, 밀도가 균일하고 좌우대칭인 물체의 중앙 위치와 여러 물체의 질량 중심 위치를 설명합니다.

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압력을 나타내는 피스톤과 용기 아이콘 수열과 시그마를 나타내는 보라색 아이콘 단진자, 용수철 진자, 막대 진자를 나란히 나타낸 아이콘 받침점을 중심으로 막대에 작용하는 돌림힘(토크) 아이콘

계

분석하고자 하는 대상 전체를 하나로 묶어서 부른 것이다.

질량 중심

물체나 계의 질량이 한 점에 모여 있다고 볼 수 있는 점이다.

불규칙한 입체 모형의 질량 중심을 가리키는 점과 라벨

밀도가 균일하고 좌우대칭인 물체의 질량 중심

한 물질로 이루어진 막대와 같이 밀도가 균일하고 좌우대칭인 물체의 질량 중심은 물체의 중앙에 위치한다.

막대와 원형 물체의 질량 중심을 표시한 그림

여러 물체의 질량 중심

직선상에 물체가 총 nn개 있고, ii번째 물체의 질량을 mim_{i}, 기준점(원점)으로부터 ii번째 물체의 질량 중심까지의 거리를 rir_{i}라 할 때,
이 물체들로 이루어진 계의 질량 중심의 위치는 ∑i=1nmiri∑i=1nmi\dfrac{{\displaystyle\sum_{i=1}^{n}}m_{i}r_{i}}{{\displaystyle\sum_{i=1}^{n}}m_{i}}이다.

질량 중심 예시

그림은 xx 축에 밀도가 균일하고 길이가 10 m10\,\mathrm{m}인 막대가 놓여 있는 것을 나타낸 것이다.
막대의 질량 중심의 위치를 구해 보자. (단, 막대의 두께와 폭은 무시한다.)

x축 위 0~10 m 구간에 놓인 막대와 막대의 질량중심 표시

밀도가 균일하고 좌우대칭인 물체의 질량 중심은 물체의 중앙에 위치하므로 질량 중심의 위치는 x=5 mx = 5\,\mathrm{m}이다.


그림은 xx 축에 물체 A\mathrm{A}, B\mathrm{B}, C\mathrm{C}가 놓여 있는 것을 나타낸 것이다. A\mathrm{A}, B\mathrm{B}, C\mathrm{C}의 질량은 각각 1 kg1\,\mathrm{kg}, 3 kg3\,\mathrm{kg}, 2 kg2\,\mathrm{kg}이다.
A\mathrm{A}, B\mathrm{B}, C\mathrm{C}로 이루어진 계의 질량 중심의 위치를 구해 보자. (단, 물체의 크기는 무시한다.)

수평선 위 세 질점 A, B, C의 위치와 질량을 나타낸 그림

직선상에 물체가 총 nn개 있고, ii번째 물체의 질량을 mim_{i}, 기준점(원점)으로부터 ii번째 물체의 질량 중심까지의 거리를 rir_{i}라 할 때,
이 물체들로 이루어진 계의 질량 중심의 위치는 ∑i=1nmiri∑i=1nmi\dfrac{{\displaystyle\sum_{i=1}^{n}}m_{i}r_{i}}{{\displaystyle\sum_{i=1}^{n}}m_{i}}이다.

물체가 총 33개이므로 n=3n = 3이고, A\mathrm{A}, B\mathrm{B}, C\mathrm{C}를 각각 11, 22, 33번째 물체라 하면
m1=1 kgm_{1} = 1\,\mathrm{kg}, m2=3 kgm_{2} = 3\,\mathrm{kg}, m3=2 kgm_{3} = 2\,\mathrm{kg}이다.

따라서 ∑i=1nmi={\displaystyle\sum_{i=1}^{n}}m_{i} ={}∑i=13mi={\displaystyle\sum_{i=1}^{3}}m_{i} ={}m1+m2+m3=m_{1} + m_{2} + m_{3} ={}1 kg+3 kg+2 kg=1\,\mathrm{kg} + 3\,\mathrm{kg} + 2\,\mathrm{kg} ={}6 kg6\,\mathrm{kg}이다.

x=0x = 0을 기준점이라 하면 r1=2 mr_{1} = 2\,\mathrm{m}, r2=4 mr_{2} = 4\,\mathrm{m}, r3=8 mr_{3} = 8\,\mathrm{m}이다.

그러므로 ∑i=1nmiri=∑i=13miri{\displaystyle\sum_{i=1}^{n}}m_{i}r_{i} = {\displaystyle\sum_{i=1}^{3}}m_{i}r_{i},
∑i=1nmiri=m1r1+m2r2+m3r3{\displaystyle\sum_{i=1}^{n}}m_{i}r_{i} = m_{1}r_{1} + m_{2}r_{2} + m_{3}r_{3},
∑i=1nmiri=(1 kg×2 m)+(3 kg×4 m)+(2 kg×8 m){\displaystyle\sum_{i=1}^{n}}m_{i}r_{i} = (1\,\mathrm{kg} \times 2\,\mathrm{m}) + (3\,\mathrm{kg} \times 4\,\mathrm{m}) + (2\,\mathrm{kg} \times 8\,\mathrm{m}),
∑i=1nmiri=30 kg⋅m{\displaystyle\sum_{i=1}^{n}}m_{i}r_{i} = 30\,\mathrm{kg·m}이다.

따라서 ∑i=1nmiri∑i=1nmi=∑i=13miri∑i=13mi=30 kg⋅m6 kg=5 m\dfrac{{\displaystyle\sum_{i=1}^{n}}m_{i}r_{i}}{{\displaystyle\sum_{i=1}^{n}}m_{i}} = \dfrac{{\displaystyle\sum_{i=1}^{3}}m_{i}r_{i}}{{\displaystyle\sum_{i=1}^{3}}m_{i}} = \dfrac{30\,\mathrm{kg·m}}{6\,\mathrm{kg}} = 5\,\mathrm{m}이므로 계의 질량 중심의 위치는 x=5 mx = 5\,\mathrm{m}이다.

적용 문항

1번 문항


x축 위 세 물체의 질량 중심 위치를 묻는 물리학 문항

2번 문항


x축 위 막대와 두 물체의 질량 중심 위치를 묻는 물리 문항