Механика твердого тела

Момент инерции.

Моментом инерции материальной точки относительно оси вращения называется произведение массы этой точки на квадрат расстояния от оси:

Моментом инерции системы(тела) относительно оси вращения называется физическая величина, равная сумме произведений масс n и материальных точек системы на квадраты их расстояний до рассматриваемой оси.

В случае непрерывного распределения масс эта сумма сводится к интегралу , где интегрирование производится по объему тела.

Главный момент инерции— момент инерции относительно главной оси вращения проходящей через центр масс

Момент инерции тела зависит от того, относительно какой оси оно вращается и как распределена масса тела по объему.

Моменты инерции однородных тел массой m, имеющих правильную геометрическую форму и равномерное распределение массы по объёму:

Тело	Положение оси вращения	Момент инерции
Полый тонкостенный цилиндр радиуса R	Ось симметрии
Сплошной цилиндр или диск радиуса R	Ось симметрии
Прямой тонкий стержень длиной l	Ось перпендикулярна стержню и проходит через его середину
Шар радиусом R	Ось проходит через центр шара

Если известен момент инерции тела относительно оси, проходящей через его центр масс, то момент инерции относительно любой другой параллельной оси определяется теоремой Штейнера:

Момент инерции тела J относительно произвольной оси z равен сумме момента его инерции относительно параллель­ной оси, проходящей через центр масс С тела, и произведения массы да тела на квадрат расстояния a между осями:

Например, момент инерции прямого тонкого стержня длиной l относительно оси, которая перпендикулярна стержню и проходит через его конец, (эта ось отстоит на l/2 от оси, проходящей через центр стержня):

Таким образом величина момента инерции зависит от выбора оси вращения.

22.Кинетическая энергия вращения.

Абсолютно твердое тело вращается около неподвижной оси z проходящей через него. Все точки движутся с одинаковой угловой скоростью Кинетическая энергия тела:

где - момент инерции тела относительно оси z.

Если тело совершает поступательное и вращательное движения одновременно, то его полная кинетическая энергия равна сумме кинетических энергий:

Из сопоставления формул кинетической энергии для поступательного и вращательного движений видно, что мерой инертности при вращательном движении служит момент инерции тела.

23. Момент силы.

Моментом силы относительно неподвижной точки О называется физическая величина, определяемая векторным произведением радиуса-вектора , проведенного из точки О в точку А приложения силы, на силу :

 

Модуль момента силы: ,где — плечо силы— кратчайшее расстояние между линией действия силы и точкой

О; α — угол между .

Моментом силы относительно неподвижной оси z — называется скалярная величина , равная проекции на эту ось вектора момента силы, определенного относительно произвольной точки Оданной оси z. Значение момента не зависит от выбора положения точки О на оси z.

24.Основное уравнение динамики вращательного движения твердого

Тела.

При повороте тела под действием силы на бесконечно малый угол точка приложения силы А проходит путь и работа равна:

Работа вращения тела идет на увеличение его кинетической энергии:

Тогда , или откуда

уравнение динамики вращательного движения твердого тела:

Если ось вращения совпадает с главной осью инерции, проходящей через центр масс, то имеет место векторное равенство:

где J — главный момент инерции тела(момент инерции относительно главной оси).

25. Момент импульса и закон его сохранения.

Моментом импульса(количества движения) материальной точки А относительно неподвижной точки О называется физическая величина, определяемая векторным произведением:

Моментом импульса относительно неподвижной оси z называется скалярная величина , равная проекции на эту ось вектора момента импульса, определенного относительно произвольной точки О данной оси. Значение момента импульса , не зависит от положения точки О на оси z.

При вращении абсолютно твердого тела вокруг неподвижной оси каждая точка тела движется по окружности постоянного радиуса со скоростью перпендикулярной радиусу. Момент импульса отдельной частицы равен и направлен по оси в сторону, определяемую правилом правого винта (совпадает с направлением вектора угловой скорости ).

Момент импульса твердого тела относительно оси есть сумма моментов импульса отдельных частиц:

Продифференцируем по времени:

В векторной форме: - ещё одна форма уравнения динамики вращательного движения твердого тела.

В замкнутой системе момент внешних сил , следовательно и .

Закон сохранения момента импульса: момент импульса замкнутой системы сохраняется, т.е. не изменяется с течением времени:

Это — фундаментальный закон природы. Он является следствием изотропности пространства: инвариантность физических законов относительно выбора направления осей координат системы отсчета.

При равномерном вращении твердого тела относительно некоторой оси z закон сохранения момента импульса равносилен: .

26.Сопоставим основные величины и соотношения для поступательного движения тела и для его вращения вокруг неподвижной оси.

Поступательное движение	Вращательное движение
Масса	т	Момент инерции	J
Перемещение		Угловое перемещение
Скорость		Угловая скорость
Ускорение		Угловое ускорение
Сила		Момент силы
Импульс		Момент импульса
Работа		Работа
Кинетическая энергия		Кинетическая энергия
Основное уравнение динамики		Основное уравнение динамики