Вычисление моментов инерции во многих случаях можно упростить, используя соображения подобия и симметрии, а также теорему Штейнера.
Рис. 4.1
Найдем связь между моментами инерции тела относительно двух неподвижных параллельных осей. Пусть оси перпендикулярны плоскости рисунка и проходят соответственно через точки О и А (все точки находятся в плоскости рис. 4.1).
Теорема Штейнера: момент инерции тела относительно какой-либо оси равен моменту инерции его относительно параллельной оси, проходящей через его центр масс С, сложенному с величиной ma2, где а – расстояние между осями, m – масса тела.:
, (4.4)
Далее вычисляют моменты инерции некоторых тел правильной формы.
1. Тонкий однородный стержень (длина l, масса m, Þ линейная плотность t=m/l=const):
а) ось вращения ОО/ проходит перпендикулярно стержню через его центр масс С (рис. 4.2).
Рис. 4.2
В силу симметрии получают:
; (4.5)
б) ось вращения АА/ проходит перпендикулярно стержню через его конец. По теореме Штейнера (4.4) получают:
. (4.6)
3. Однородное тонкое круглое кольцо(масса m, радиус R,).В силу симметрии очевидно (рис. 4.5), что
, (4.10)
в силу симметрии
. (4.11)
Рис. 4.5 Рис. 4.6
4. Однородный диск или сплошной цилиндр(масса m, радиус R, объемом V).Начало координат (пересечение) трех взаимно перпендикулярных осей располагают в центре масс цилиндра (можно аналогично случаю 2, а) сместить все вещество вдоль оси ОZ, т.е. получить тонкий диск малой толщины h/, плотности r=m/V¢, V¢=p×R2 h¢ – объем после смещения, см. рис. 4.6), для которого
. (4.12)
Согласно уравнению (4.8) имеют:
. (4.13)
Рис. 4.7
5. Полый шар с бесконечно тонкими однородными стенками(сфера массы m, радиуса R).Расположим начало координат (пересечение) трех взаимно перпендикулярных осей в центре сферы, в ее центре масс С (рис. 4.7), тогда в силу симметрии и формулы (4.7):
. (4.14)
6. Сплошной однородный шар(масса m, радиус R, объем V).Расположим начало координат (пересечение) трех взаимно перпендикулярных осей в центре шара и рассмотрим шар как совокупность тонких сфер. Момент инерции такого тонкого сферического слоя по формуле (4.14) будет иметь вид:
,
тогда момент инерции шара:
. (4.15)
В некоторых задачах используется понятие момента инерции относительно точки. Поскольку ориентация различных элементов тела (ТТ) относительно его произвольной точки должна задаваться тремя координатами, то его инертность должна характеризоваться набором 9 чисел – тензором инерции (в математике используются скаляры – одно число, векторы – тройки чисел и тензоры – запись их представляет собой матрицу III порядка).
Если работа силы идет только на вращение тела, т.е. на увеличение кинетической энергии (КЭ) вращения, то
.
При увеличении скорости вращения от 0 до w КЭ вращения равна
. (4.26)
Дата добавления: 2015-05-05; просмотров: 1425;