34
Механика
помогает геометрии
M. B. Балк, Н. А. Григорьев
… Я счел нужным написать мне и… изложить неко-
торный особый метод, при помощи которого мы получив
возможность при помощи механики находить неко-
торные математические теоремы. Я уверен, что этом метод бу-
дем мне ничуть не менее полезен и для доказательства
симх теорем.
Архимед. «Послание к Эрамосфену.
О механических теоремах».
Со времен Архимеда простейшие по-
нятия механики — и, в первую оче-
редь, понятие о центре тяжестии системы материальных точек — неод-
нократно и с большим успехом при-
влекательisce для доказательства геометрических теорем. Так, с помощью неко-
матических соображений Архимед впервые доказал теорему о трех медианах треугольника, нашел формулу для вычисления объема шара.
Воспследствие механических соображения использясь для вычисления объемов различных тел вращения, находления геометрических мест точек, доказательства неравенств и для решения многох других задач из геометрии и алгебры *).
Эта статья написана по материалам занятый, проведенных с учащими X классов в Смоленском городском физико-математическом кружке (19 октября 1972 г.) и в Ивановской ЮМШ (1 декабря 1972 г.). В ней мы рассекем об одной механической теореме, принадлежшей известному французскому математике Лагранжу (1736—1813), и показем, как эта теорема позволяет сравнить легко решать трудные задачи из области элементарной геометрии. Как мы увидим, эта теорема по су-
*) См. также М. B. Балк, Геометрические приложения поятия о центре тяжестии, М., Физматиз, 1959 («Библиотека математического кружка», выпуск 9), и В. А. Успенский, Некоторые приложения механики к математике, М., Физматиз, 1958 («Популярные лекции по математике», выпуск 27).
шеству является прямым следствием из теоремы Пифагора.
Центр тяжестии
Пусть имеются (см. рис. 1) две матеріальные точки (точные массы): A массы (будем писать короче так: ) и B массы .
Центр тяжестии C двух матеріальных точек и — это точка, расположенная на отрезке AB и удовлевorioцая следующее соотношение («правило рычага» Архимед):
Если в точке C помещить массы обеих матеріальных точек и , то возникалоusoю при этом матеріальну точку условимся назвать матеріальным центром точки и . Материальный центр трех матеріальных точек (рис. 2) определяется так: сначала следует найти матеріальный центр точки и , а затем — матеріальный центр точки и . Точка Z будет центром тяжестии системы трех матеріальных точек .
Рис. 1.
35
Аналогичным образом определяют материальный центр и центр тяжести системы из любого числа (n) матерialных точек*).
Тепер решим одну задачу.
Задача 1. В треугольнике ABC (рис. 3) длины строки BC, CA и AB равны соответствию a см, b см и c см. Поместим в вершины A, B, C массы a e, b e и c с соответствию. Найти центр тяжести этих материальных точек.
Обозначим через Z центр тяжести материальных точек (A, a), (B, b), (C, c), а через C₁ — центр тяжести материальных точек (A, a) и (B, b).
Тогда
откуда
Отсюда следует, что CC₁ — биссекторica угла C. Заменим точки (A, a) и (B, b) их материальным центром (C₁, a + b). Тогда центр тяжести Z должен оказаться на отрезке CC₁. Точно так же можно убедиться в том, что точка Z должна оказаться на биссекторice AA₁. Следовательно, Z — точка пересечения биссектора tresугульника ABC.
Отметим здесь одно полезное свойство центра тяжести.
*) Можно доказать, что положение центра тяжести не зависит от номера точки, то есть что данное нами определение «корректно».
Рис. 2.
Рис. 3.
Пусть Z — центр тяжести n материальных точек (A₁, m₁), (A₂, m₂), …, (Aₙ, mₙ), расположенных на плоскости по одному и ту же сторону от некоторой прямой α (рис. 4). Пусть y₁, y₂, …, yₙ и z — расстояния от точки A₁, A₂, …, Aₙ, Z до прямой α. Тогда
(1)
В справедливости этой формулы при n = 2 легко убедиться, воспользоваться правилом рычага. Затем легко доказать формулу (1) при n = 3, сведя этот случай к случае n = 2. Для произвольного n формула (1) доказывается метод математического индукции. Попробуйте проверить это доказательство самостояльно.
Момент инерции
Понятие «мoment инерции» было введено Леонардом Эйлером (1707—
Рис. 4.
36
Рис. 5.
- более 200 лет тому назад. Пусть имеется система из материльных точек , и пусть выбрана еще некоторая точка . Моментом инерции данной системы точек относительно точки называется величины
(sумма произведений масс материльных точек системы на квадраты их расстояний от точки ). Короче записьюот формулу (2) так:
Задча 2. Около преуездника со стороны описана окружность (рис. 5). Обозначим через точку пересечения медиан преуездника, через — центр описанной окружности. Вычислить моменты инерции системы материльных точек относительно точки и относительно точки .
Пусть — медианы треугольника, — точка их пересечения. Тогда
где ( находится по формуле Герона).
Teорема Лагранжа
В 1783 году Лагранжа обращил внимание на справедливость следующого утверждения.
Пусть — момент инерции системы материльных точек относительно произвольной данной точки , — момент инерции этой системе относительно ее центра мяжести Z. Тогда
(4)
еде
Доказательство *. Пусть — такая прямая, что все точки лежат по одному сторону от нее и (см. рис. 4). Пусть — проекции точки на прямую ; . Из трапеций и имеем:
Упростив правило часть и умножив обе части на , получим:
*) Мы ограничиваем случае, когда все данные материльные точки лежат в одной плоскости; однако утверждение справедливо и при произвольном расположении точки в пространстве (см. упомянутую выше книгу: М. Б. Балк, Геометрические приложения понятия о центре тяжесте, с. 75—76).
37
Аналогично
Складывая почленно эти равенства и учитывая определенное momentа инерции (2) и формулу (1), получим требуемое равенство:
Задание 3. Ребро правильного метраэдра SABC равно a. Вычислить радиус R описанного около метраэдра шара.
Поместим в четырех вершинах тетраэдра массы по 1 грамму. Тогда центр тяжестии образованшихся четырех материалов точек совпадает с центром Z описанного шара. Имеем , , и по формуле (4) получаем: , откуда .
Задание 4. Зная длины a, b, c стороны треугольника ABC, вычислить длину биссектрицы CC (рис. 6).
Поместим в точки A и B такие массы, чтобы точка C оказалась их центром тяжестии. Для этого заметим, что по известному свойству биссектрицы AC: CB = AC:CB, то есть . Значит, в точку A надо поместить массу в a граммов, а в точку B – b граммов, центром тяжестии материалов точек (A, a) и (B, b) будет точка C.
По формуле (4) имеем , то есть .
Из равенств AC: CB = b: a, AC + CB = c находится:
Позному из (5) следует:
Задание 5. Зная стороны a, b, c треугольника ABC, вычислить расстояние между точкой Z пересечения медиан эмного треугольника и точкой H пересечения его высот.
Поместим в вершины A, B, C (рис. 7) равные массы (по 1 грамму). По формулам (3) и (4) имеем:
Для вычисления расстояний HA, HB, HC построим треугольник A’B’C’, стороны которого параллельны сторонам данного треугольника ABC и проходят через его вершины. В треугольнике A’B’C’ точка H – центр описанной округности (проверьте!),
38
Рис. 8.
и поэтому , где — радиус окружности, описанной около . Так как
то , где — радиус окружности, описанной около треугольника . Отсюда , , . Поэтому
где , а площадь треугольника вычисляется через его стороны по формуле Герона.
Другая формула для момент инерции
Остановимся теперь еще на одной формуле для момент инерции, которая находится вяжные применения в механике (особенно в небесной механике при исследовании так называемой «задачи тел»). Эта формула оказывается очень полезной и для решения чисто геометрических задач.
Пусть имеется материалов точек (рис. 8). Расстояние между точками и обозначает через . (Например, — это расстояние .) Выражение
обозначает сумму всех возможных слагаемых вида , где и — любые целые числа между 1 и ,
менше, чем . (Например,
обозначает .)
Оказывляется, что момент инерции системы матерциальных точек относительно ее центра мяжести Z можно выразить через взаимные расстояния между этих тонами и их массы:
( — суммарная масса всей системы.
Доказательство мы проведем только для случая , но из расчужdenей будет ясно, что оно пригодно при любом .
По теореме Лагранжа имеем:
или, подробнее:
Аналогично
Складывая эти равенства по лучеем:
что равенство требуемому равенству (6) (при ).
Задание 6. В окружность радиуса виссан правый 100-уоллник . Вычислить сумму σ квадратов длины всех его диаzoналей и всех его сторонон.
39
Рис. 9.
Поместим в каждую вершину многоугольника массы по 1 грамму. Центр тяжести возникшей системы материальных точек совпадает с центром O кругга. По формуле (6) имеем
Задание 7. Зная радус R округности, описанной около данного треугольника ABC, и радус r округности, описанной в этом же треугольнике, вычислить расстояние d между их центрами.
Пусть S — центр описанной округности, Z — центр вписанной округности, a, b, c (см) — длины сторон треугольника. Поместим в вершины A, B, C массы соответствующего a, b и c граммов. Центр тяжести этой системы okажется точка Z. По формуле (4) имеем
По формулам (2) и (6) находим:
Кроме того, по известным формулам для плошади треугольника имеем
откуда
Из формул (7) — (10) следует, что
Это и есть искомая формула («формула Эйлера»).
Задание 8. Известно, что в параллелограмме разность между суммой квадратов длины всех точек плоскости, для которых сумма квадратов расстояний от вершин заданного в этой плоскости квадрата A_1 A_2 A_3 A_4 со стороны a есть постоянная величины c^2, если c^2 > 2a^2?
Поместим в вершинах четырехугольника A_1 A_2 A_3 A_4 равные массы (по 1 грамму), и пусть Z — центр тяжести образованшейся системы материальных точек. По определению (2) и по формуле (6) имеем
Рассмотрим теперь систему из двух материальных точек (A_1, 1) и (A_3, 1) (их центр тяжести — середина P отрезка A_1 A_3). Приимем формулу (4):
Аналогично
Из (11), (12) и (13) следует искомая формула Эйлера:
Упражнения
- Решите задачу 4 других способом, воспользовавшись формулой (6).
- Пусть Z — центр окружности вписанной в треугольник ABC (BC=a, CA=b, AB=c). Доказите, что
- Какую формулу представляется собой множество всех точек плоскости, для которых сумма квадратов расстояний от вершин заданного в этой плоскости квадрата A_1 A_2 A_3 A_4 со стороны a есть постоянная величины c^2, если c^2 > 2a^2?
- В некоторых треугольника расстояние между точкой пересечения медиан и центром описанной окружности в три раза меньше радиуса этой окружности. Доказите, что треугольник прямойный.