Моменты инерции твердого тела, радиус инерции.

Движение системы, кроме действующих сил, зависит также от ее суммарной массы и распределения масс. (сумма масса, центр масс).

Положение центра масс однако не полностью характеризует распределение масс системы. Например:

При одновременном изменении h центр масс не меняется, а распределение масс станет другим, и это скажется на движении системы (вращение будет происходить медленнее).

Поэтому в механике вводится еще одна характеристика распределения масс – момент инерции. Момент инерции твердого тела относительно оси вращения при вращательном движении является мерой его инертности.

Моментом инерции тела (системы) относительно оси (или осевым моментом) называется скалярная величина, равная сумме произведения масс всех точек тела на квадраты их расстояний от точки до оси.

Моменты инерции твердого тела, радиус инерции. - student2.ru (всегда >0 и Моменты инерции твердого тела, радиус инерции. - student2.ru )

Моментом инерции твердого тела (системы) относительно полюса (полярным моментом инерции) называется скалярная величина, равная сумме произведений массы каждой точки тела на квадрат расстояния оси точки до этого полюса.

Моменты инерции твердого тела, радиус инерции. - student2.ru

Для вычисления осевых и полярных моментов инерции можно расстояния выражать через координаты Моменты инерции твердого тела, радиус инерции. - student2.ru этих точек.

Моменты инерции твердого тела, радиус инерции. - student2.ru , Моменты инерции твердого тела, радиус инерции. - student2.ru , Моменты инерции твердого тела, радиус инерции. - student2.ru

Моменты инерции твердого тела, радиус инерции. - student2.ru из приведенных формул получим

Моменты инерции твердого тела, радиус инерции. - student2.ru

Для одной точке, находящейся на расстоянии h от оси момент инерции можно вычислить

Моменты инерции твердого тела, радиус инерции. - student2.ru

Часто в ходе расчетов пользуются понятием радиуса инерции.

Радиусом инерции тела относительно оси OZ называется линейная величина Моменты инерции твердого тела, радиус инерции. - student2.ru определяемая равенством

Моменты инерции твердого тела, радиус инерции. - student2.ru ( Моменты инерции твердого тела, радиус инерции. - student2.ru - радиус инерции)

Из определения следует, что радиус инерции геометрически равен расстоянию от оси OZ той точки, в которой надо сосредоточить массу всего тела, чтобы момент инерции этой точки был равен моменту инерции всего тела.

Записанные формулы справедливы для механической системы и любого твердого тела. Для сплошного твердого тела, разбивая его на элементарные части, найдем, что в пределе сумма, стоящая в равенстве (9.1), обратится в интеграл

Моменты инерции твердого тела, радиус инерции. - student2.ru Моменты инерции твердого тела, радиус инерции. - student2.ru Моменты инерции твердого тела, радиус инерции. - student2.ru - элементарный объем

Моменты инерции твердого тела, радиус инерции. - student2.ru - плотность

Моменты инерции твердого тела, радиус инерции. - student2.ru и h зависят от координаты точки.

Поэтому формулы (9.3) примут вид.

Моменты инерции твердого тела, радиус инерции. - student2.ru

Если тело однородное, то

Моменты инерции твердого тела, радиус инерции. - student2.ru Моменты инерции твердого тела, радиус инерции. - student2.ru

Найдем моменты инерции некоторых однородных тел.

1) Тонкий однородный стержень длины l, массы М. рисунки

h = х Моменты инерции твердого тела, радиус инерции. - student2.ru Моменты инерции твердого тела, радиус инерции. - student2.ru

Моменты инерции твердого тела, радиус инерции. - student2.ru

Моменты инерции твердого тела, радиус инерции. - student2.ru

Моменты инерции твердого тела, радиус инерции. - student2.ru

Моменты инерции твердого тела, радиус инерции. - student2.ru (9.10)

2. Тонкое однородное кольцо радиуса R и массы М.

т.к. Моменты инерции твердого тела, радиус инерции. - student2.ru , то получим

Моменты инерции твердого тела, радиус инерции. - student2.ru

Моменты инерции твердого тела, радиус инерции. - student2.ru (9.11)

такой же результат для тонкой цилиндрической оболочки массы М и радиуса R относительно ее оси.

3. Круглая однородная пластинка или цилиндр радиуса R и массы М.

Если выделим элементарное кольцо радиуса r и толщины dr

Площадь его Моменты инерции твердого тела, радиус инерции. - student2.ru

масса Моменты инерции твердого тела, радиус инерции. - student2.ru

где Моменты инерции твердого тела, радиус инерции. - student2.ru масса единичной площади

Моменты инерции твердого тела, радиус инерции. - student2.ru Моменты инерции твердого тела, радиус инерции. - student2.ru

dm

Моменты инерции твердого тела, радиус инерции. - student2.ru (9.12).

4) Прямоугольная пластинка массы М со сторонами а, b

Моменты инерции твердого тела, радиус инерции. - student2.ru

Моменты инерции твердого тела, радиус инерции. - student2.ru

5) Шар массы М радиуса R Моменты инерции твердого тела, радиус инерции. - student2.ru (9.14)

Моменты инерции тела относительно параллельных осей. Теорема Гюйгенса.

т. С оси Моменты инерции твердого тела, радиус инерции. - student2.ru

т. О оси Oxyz

Oy // Cy’

Oz // Cz’

cCz’ и Oz=d

По формулам (9.3)

Моменты инерции твердого тела, радиус инерции. - student2.ru

Моменты инерции твердого тела, радиус инерции. - student2.ru

Из рисунка видно, что для любой точки тела

Моменты инерции твердого тела, радиус инерции. - student2.ru Моменты инерции твердого тела, радиус инерции. - student2.ru Моменты инерции твердого тела, радиус инерции. - student2.ru

Моменты инерции твердого тела, радиус инерции. - student2.ru

Моменты инерции твердого тела, радиус инерции. - student2.ru Моменты инерции твердого тела, радиус инерции. - student2.ru Моменты инерции твердого тела, радиус инерции. - student2.ru Моменты инерции твердого тела, радиус инерции. - student2.ru

Моменты инерции твердого тела, радиус инерции. - student2.ru Моменты инерции твердого тела, радиус инерции. - student2.ru =0

т.к. Моменты инерции твердого тела, радиус инерции. - student2.ru

Моменты инерции твердого тела, радиус инерции. - student2.ru (9.15)

Теорема Гюйгенса

Момент инерции тела относительно данной оси равен моменту инерции относительно оси ей параллельной, проходящей через центр масс тела, сложенному с произведением массы всего тела на квадрат расстояния между осями.

Из формулы (9.15) видно, что наименьший момент инерции будет у тела относительно оси, проходящей через точку С.

Наши рекомендации