Těžiště (Geometrický střed): Slovníček pojmů z letectví a matematiky

Definice a základní pojmy

Těžiště, známé také jako geometrický střed, je aritmetický průměr všech bodů v útvaru, tělese či systému. U objektů s rovnoměrnou hustotou se shoduje se středem hmotnosti a v konstantním gravitačním poli i se středem tíhy. Těžiště je bod, ve kterém by útvar z rovnoměrného materiálu dokonale vyváženě spočíval—podobně jako když vyvažujete plochou tuhou desku na špičce.

Tento koncept je základní v matematice, strojírenství a letectví. V letectví je znalost těžiště klíčová pro výpočty hmotnosti a vyvážení, letové způsobilosti a bezpečnosti. Poloha těžiště závisí pouze na geometrii útvaru, pokud není hustota proměnná; v takovém případě se využívá „střed hmotnosti“.

Alternativní termíny zahrnují střed hmotnosti, střed tíhy a barycentrum (v nebeské mechanice). V letectví používají ICAO i další autority výpočty založené na těžišti k určení středu hmotnosti letadla, který ovlivňuje letovou dynamiku, hospodaření s palivem a bezpečnost nákladu.

Fyzikální interpretace

Z fyzikálního hlediska je těžiště bod, ve kterém by útvar nebo těleso z rovnoměrného materiálu „drželo rovnováhu“ ve všech směrech. U ploché, homogenní desky je to místo, kde může spočinout v rovnováze na hrotu. Ve třech rozměrech je těžištěm bod, v němž se účinek gravitace na těleso chová, jako by veškerá hmota byla soustředěna právě zde.

U letadel tvoří těžiště základ pro střed hmotnosti (CG). Správné rozložení hmotnosti—palivo, cestující, náklad a konstrukce—zajišťuje, že těžiště (CG) zůstává v povolených mezích. Jejich překročení může vést ke ztrátě ovladatelnosti, k pádu do vývrtky či dokonce ke konstrukčnímu selhání. U analýzy letištních ploch, drah a pojezdových cest se těžiště využívá k modelování rozložení zatížení a napětí, což zajišťuje bezpečnost provozu na zemi.

Těžiště je klíčové i při dynamické analýze: jeho poloha vůči aerodynamickým středům ovlivňuje momenty klopení/otáčení, ovladatelnost a stabilitu.

Matematické vyjádření

Diskrétní množina bodů

Pro ( n ) bodů se souřadnicemi ( (x_i, y_i) ):

[ (\bar{x}, \bar{y}) = \left( \frac{1}{n}\sum_{i=1}^n x_i, \frac{1}{n}\sum_{i=1}^n y_i \right) ]

Mají-li jednotlivé body hmotnost ( m_i ):

[ (\bar{x}, \bar{y}) = \left( \frac{ \sum_{i=1}^n m_i x_i }{ \sum_{i=1}^n m_i }, \frac{ \sum_{i=1}^n m_i y_i }{ \sum_{i=1}^n m_i } \right) ]

Tento postup se v letectví používá pro určení naloženého CG ze známých poloh a hmotností.

Trojúhelník

Pro vrcholy trojúhelníku ( A(x_1, y_1), B(x_2, y_2), C(x_3, y_3) ):

[ (\bar{x}, \bar{y}) = \left( \frac{x_1 + x_2 + x_3}{3}, \frac{y_1 + y_2 + y_3}{3} \right) ]

Těžiště dělí každou těžnici v poměru 2:1 (blíže ke středu strany).

Mnohoúhelník

Pro mnohoúhelník s vrcholy ( (x_1, y_1), \ldots, (x_n, y_n) ) (kde ( (x_{n+1}, y_{n+1}) = (x_1, y_1) )):

[ A = \frac{1}{2} \sum_{i=1}^n (x_i y_{i+1} - x_{i+1} y_i) ] [ \bar{x} = \frac{1}{6A} \sum_{i=1}^n (x_i + x_{i+1})(x_i y_{i+1} - x_{i+1} y_i) ] [ \bar{y} = \frac{1}{6A} \sum_{i=1}^n (y_i + y_{i+1})(x_i y_{i+1} - x_{i+1} y_i) ]

Používá se v CAD, strukturní a zatěžovací analýze nepravidelných útvarů.

Plošná oblast (spojitá)

Pro oblast ( R ) o ploše ( A ):

[ \bar{x} = \frac{1}{A} \iint_{R} x , dA ] [ \bar{y} = \frac{1}{A} \iint_{R} y , dA ]

Pro oblasti ohraničené křivkami ( y = g(x), y = f(x) ), ( x \in [a, b] ):

[ A = \int_a^b [g(x) - f(x)],dx ] [ \bar{x} = \frac{1}{A} \int_a^b x [g(x) - f(x)],dx ] [ \bar{y} = \frac{1}{A} \int_a^b \frac{1}{2} [g(x)^2 - f(x)^2],dx ]

Zásadní pro aerodynamické plochy (křídla, vodorovné ocasní plochy) se zakřivenými profily.

Těleso (3D)

Pro těleso o objemu ( V ):

[ \bar{x} = \frac{1}{V} \iiint_{V} x , dV, \quad \bar{y} = \frac{1}{V} \iiint_{V} y , dV, \quad \bar{z} = \frac{1}{V} \iiint_{V} z , dV ]

Používá se například u palivových nádrží a nákladových prostor.

Vlastnosti těžiště

• Bod rovnováhy: Těžiště je bod rovnováhy u útvarů s rovnoměrnou hustotou.
• Vnitřní poloha: U konvexních útvarů je těžiště vždy uvnitř; u konkávních může být i vně.
• Průsečík těžnic: U trojúhelníku je těžiště průsečíkem těžnic.
• Dělení těžnic: Dělí těžnici trojúhelníku v poměru 2:1.
• Skládání: Těžiště složeného útvaru je plošně/objemově/hmotnostně vážený průměr částí.
• Symetrie: U souměrných útvarů leží těžiště na ose nebo v centru souměrnosti.
• Invariance vůči transformaci: Těžiště zůstává stejné při posunutí či otočení útvaru.

Vzorce pro těžiště standardních útvarů

2D útvary

3D tělesa

Laminy (2D oblasti)

Řešené příklady

Příklad 1: Těžiště trojúhelníka

Zadání: Vrcholy ( (2,6), (4,9), (6,15) )
Řešení:
[ \bar{x} = \frac{2+4+6}{3} = 4, \quad \bar{y} = \frac{6+9+15}{3} = 10 ]
Těžiště: ( (4, 10) )

Příklad 2: Těžiště zakřivené oblasti

Oblast: Ohraničená ( y = x^2 ), ( y = 0 ), ( x = 0 ), ( x = 1 )
[ A = \int_0^1 x^2 dx = \frac{1}{3} ] [ \bar{x} = \frac{1}{A} \int_0^1 x^3 dx = \frac{3}{4} ] [ \bar{y} = \frac{1}{A} \int_0^1 \frac{1}{2} x^4 dx = \frac{3}{10} ]
Těžiště: ( (\frac{3}{4}, \frac{3}{10}) )

Příklad 3: Těžiště složeného útvaru

Útvar tvoří obdélník (šířka 4, výška 2) a rovnoramenný trojúhelník (délka strany 2) umístěný na obdélníku.
Nalezněte těžiště výpočtem ploch a těžišť jednotlivých částí a použijte vzorec váženého průměru pro složené těžiště.

Využití v letectví a strojírenství

• Hmotnost & vyvážení letadel: Výpočty těžiště zajišťují, že CG zůstane v povolených provozních mezích bez ohledu na konfiguraci nákladu, spotřebu paliva či rozmístění cestujících.
• Strukturní analýza: Určuje rozložení napětí a umístění podpor pro maximální konstrukční pevnost.
• Aerodynamika: Referenční bod pro momenty a ovladatelnost, protože aerodynamické síly působí vůči těžišti/CG.
• Letištní infrastruktura: Analýza napětí v povrchu a rozložení zatížení pod letadly.

Další zdroje a literatura

• Příručka FAA pro hmotnost a vyvážení (FAA-H-8083-1B)
• ICAO Doc 8168 Aircraft Operations
• „Engineering Mechanics: Statics“ – Hibbeler, R.C.
• NASA Glenn Research Center: Center of Gravity (https://www.grc.nasa.gov/www/k-12/airplane/cg.html )
• Wikipedia: Těžiště

Těžiště není jen matematická abstrakce—je to zásadní pojem zajišťující bezpečnost, efektivitu a spolehlivost letadel i konstrukcí, které je podporují.