Moment setrvačnosti

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 24. prosince 2020; kontroly vyžadují 6 úprav .
Moment setrvačnosti
Dimenze L 2 M
Jednotky
SI kg_ _
GHS g cm² _ _

Moment setrvačnosti  je skalární fyzikální veličina , míra setrvačnosti při rotačním pohybu kolem osy, stejně jako hmotnost tělesa je mírou jeho setrvačnosti při translačním pohybu. Vyznačuje se rozložením hmot v tělese: moment setrvačnosti je roven součtu součinů elementárních hmotností a druhé mocniny jejich vzdáleností k základní množině (bod, přímka nebo osa).

Měrná jednotka v mezinárodní soustavě jednotek (SI ) : kg m² .

Označení : I nebo J.

Momentů setrvačnosti je několik - v závislosti na typu základní sady, ke které se měří vzdálenosti od elementárních hmot.

Axiální moment setrvačnosti

Moment setrvačnosti mechanické soustavy vzhledem k pevné ose („axiální moment setrvačnosti“) je hodnota J a rovna součtu součinů hmotností všech n hmotných bodů soustavy a druhých mocnin jejich vzdálenosti k ose [1] :

kde:

Axiální moment setrvačnosti tělesa J a je mírou setrvačnosti tělesa při rotačním pohybu kolem osy, stejně jako hmotnost tělesa je mírou jeho setrvačnosti při translačním pohybu .

kde:

dm = ρ dV  je hmotnost prvku o malém objemu tělesa dV , ρ  je hustota, r  je vzdálenost od prvku dV k ose a .

Pokud je těleso homogenní, tedy jeho hustota je všude stejná

Huygens-Steinerova věta

Moment setrvačnosti tuhého tělesa vzhledem k jakékoli ose závisí na hmotnosti , tvaru a velikosti tělesa a také na poloze tělesa vzhledem k této ose. Podle Huygens-Steinerovy věty je moment setrvačnosti tělesa J k libovolné ose roven součtu momentů setrvačnosti tohoto tělesa J c k ose procházející těžištěm tělesa rovnoběžně s osou. uvažovaná osa a součin hmotnosti těla m krát druhá mocnina vzdálenosti d mezi osami [1] :

kde m  je celková hmotnost tělesa.

Například moment setrvačnosti tyče kolem osy procházející jejím koncem je:

Axiální momenty setrvačnosti některých těles

Momenty setrvačnosti homogenních těles nejjednoduššího tvaru kolem některých os rotace
Tělo Popis a - poloha osy Moment setrvačnosti J a
Hmotný bod m Ve vzdálenosti r od bodu, pevná
Dutý tenkostěnný válec nebo prstenec o poloměru r a hmotnosti m Osa válce
Plný válec nebo kotouč o poloměru r a hmotnosti m Osa válce
Dutý silnostěnný válec o hmotnosti m s vnějším poloměrem r 2 a vnitřním poloměrem r 1 Osa válce [Komunikace 1]
Plný válec délky l , poloměru r a hmotnosti m Osa je kolmá na tvořící čáru válce a prochází jeho těžištěm
Dutý tenkostěnný válec (prstenec) délky l , poloměru r a hmotnosti m Osa je kolmá k válci a prochází jeho těžištěm
Přímá tenká tyč o délce l a hmotnosti m Osa je kolmá k tyči a prochází jejím těžištěm
Přímá tenká tyč o délce l a hmotnosti m Osa je kolmá k tyči a prochází jejím koncem
Tenkostěnná koule o poloměru r a hmotnosti m Osa prochází středem koule
Koule o poloměru r a hmotnosti m Osa prochází středem míče
Kužel o poloměru r a hmotnosti m osa kužele
Rovnoramenný trojúhelník o výšce h , základně a a hmotnosti m Osa je kolmá k rovině trojúhelníku a prochází vrcholem (ve výšce)
Pravidelný trojúhelník o straně a a hmotnosti m Osa je kolmá k rovině trojúhelníku a prochází těžištěm
Čtverec o straně a a hmotnosti m Osa je kolmá k rovině čtverce a prochází těžištěm
Obdélník se stranami aab a hmotností m Osa je kolmá k rovině obdélníku a prochází těžištěm
Pravidelný n-úhelník o poloměru r a hmotnosti m Osa je kolmá k rovině a prochází těžištěm
Torus (dutý) s poloměrem vodící kružnice R , poloměrem tvořící přímky r a hmotností m Osa je kolmá k rovině vodící kružnice torusu a prochází těžištěm

Odvození vzorců

Tenkostěnný válec (kroužek, obruč)

Odvození vzorce

Moment setrvačnosti tělesa je roven součtu momentů setrvačnosti jeho součástí. Rozdělme tenkostěnný válec na prvky s hmotností dm a momenty setrvačnosti dJ i . Pak

Protože všechny prvky tenkostěnného válce jsou ve stejné vzdálenosti od osy otáčení, vzorec (1) se převede na tvar

Silnostěnný válec (kroužek, obruč)

Odvození vzorce

Nechť existuje homogenní prstenec s vnějším poloměrem R , vnitřním poloměrem R 1 , tloušťkou h a hustotou ρ . Rozdělme jej na tenké kroužky o tloušťce dr . Hmotnost a moment setrvačnosti tenkého prstence o poloměru r bude

Moment setrvačnosti tlustého prstence najdeme jako integrál

Protože objem a hmotnost prstenu jsou stejné

získáme konečný vzorec pro moment setrvačnosti prstence

Homogenní disk (plný válec)

Odvození vzorce

Uvažujeme-li válec (disk) jako prstenec s nulovým vnitřním poloměrem ( R 1 = 0 ), získáme vzorec pro moment setrvačnosti válce (disku):

pevný kužel

Odvození vzorce

Rozdělme kužel na tenké kotouče o tloušťce dh kolmé k ose kužele. Poloměr takového disku je

kde R je poloměr základny kužele, H je výška kužele, h je vzdálenost od vrcholu kužele k disku. Hmotnost a moment setrvačnosti takového disku bude

Integrace, rozumíme

Pevný jednotný míč

Odvození vzorce

Rozdělme kouli na tenké kotouče o tloušťce dh kolmé k ose otáčení. Poloměr takového disku, který se nachází ve výšce h od středu koule, lze zjistit vzorcem

Hmotnost a moment setrvačnosti takového disku bude

Moment setrvačnosti koule se zjistí integrací:

tenkostěnná koule

Odvození vzorce

K odvození použijeme vzorec pro moment setrvačnosti homogenní koule o poloměru R :

Spočítejme, jak moc se změní moment setrvačnosti koule, když se při konstantní hustotě ρ její poloměr zvětší o nekonečně malou hodnotu dR .

Tenká tyč (osa prochází středem)

Odvození vzorce

Rozdělme tyč na malé fragmenty délky dr . Hmotnost a moment setrvačnosti takového fragmentu je

Integrace, rozumíme

Tenká tyč (osa prochází koncem)

Odvození vzorce

Při pohybu osy otáčení ze středu tyče na její konec se těžiště tyče posune vzhledem k ose o vzdálenost l⁄ 2 . Podle Steinerovy věty se nový moment setrvačnosti bude rovnat

Bezrozměrné momenty setrvačnosti planet a jejich satelitů [2] [3] [4]

Bezrozměrné momenty setrvačnosti planet a satelitů

Velký význam pro studium vnitřní struktury planet a jejich satelitů mají jejich bezrozměrné momenty setrvačnosti. Bezrozměrný moment setrvačnosti tělesa o poloměru r a hmotnosti m je roven poměru jeho momentu setrvačnosti kolem osy rotace k momentu setrvačnosti hmotného bodu stejné hmotnosti kolem pevné osy rotace umístěné v vzdálenost r (rovná se mr 2 ). Tato hodnota odráží rozložení hmoty do hloubky. Jednou z metod jeho měření pro planety a satelity je určení Dopplerova posunu rádiového signálu vysílaného AMS letícím kolem dané planety nebo satelitu. U tenkostěnné koule je bezrozměrný moment setrvačnosti roven 2/3 (~0,67), u homogenní koule je to 0,4 a obecně platí, že čím menší, tím větší je hmotnost tělesa soustředěná v jejím středu. Například Měsíc má bezrozměrný moment setrvačnosti blízký 0,4 (rovná se 0,391), takže se předpokládá, že je relativně homogenní, jeho hustota se s hloubkou mění jen málo. Bezrozměrný moment setrvačnosti Země je menší než u homogenní koule (rovný 0,335), což je argument ve prospěch existence hustého jádra [5] [6] .

Odstředivý moment setrvačnosti

Odstředivé momenty setrvačnosti tělesa vzhledem k osám pravoúhlého kartézského souřadnicového systému jsou následující veličiny [1] [7] :

kde x , y a z  jsou souřadnice malého prvku tělesa o objemu dV , hustotě ρ a hmotnosti dm .

Osa OX se nazývá hlavní osou setrvačnosti tělesa , pokud jsou odstředivé momenty setrvačnosti J xy a J xz současně rovné nule. Každým bodem tělesa lze vést tři hlavní osy setrvačnosti. Tyto osy jsou na sebe navzájem kolmé. Momenty setrvačnosti tělesa vůči třem hlavním osám setrvačnosti nakresleným v libovolném bodě O tělesa se nazývají hlavní momenty setrvačnosti tohoto tělesa [7] .

Hlavní osy setrvačnosti procházející těžištěm tělesa se nazývají hlavní centrální osy setrvačnosti tělesa a momenty setrvačnosti kolem těchto os se nazývají jeho hlavní centrální momenty setrvačnosti . Osa symetrie homogenního tělesa je vždy jednou z jeho hlavních centrálních os setrvačnosti [7] .

Geometrické momenty setrvačnosti

Geometrický moment setrvačnosti objemu vzhledem k ose je geometrická charakteristika tělesa, vyjádřená vzorcem [8] :

kde, jako dříve, r je vzdálenost od prvku dV k ose a .

Rozměr J Va je délka k páté mocnině ( ), respektive jednotka SI je m 5 .

Geometrický moment setrvačnosti plochy vzhledem k ose je geometrická charakteristika tělesa, vyjádřená vzorcem [8] :

kde integrace se provádí přes plochu S a dS je prvkem této plochy.

Rozměr J Sa je délka ke čtvrté mocnině ( ), respektive jednotka SI je m 4 . Ve stavebních výpočtech, literatuře a sortimentech válcovaného kovu se často uvádí v cm 4 .

Prostřednictvím geometrického momentu setrvačnosti plochy je vyjádřen moment průřezového odporu :

Zde r max je maximální vzdálenost od povrchu k ose.

Geometrické momenty setrvačnosti oblasti některých obrazců
Výška a šířka obdélníku :

Obdélníková krabicová část s výškou a šířkou podél vnějších obrysů a , a podél vnitřního resp

Průměr kruhu

Moment setrvačnosti kolem letadla

Moment setrvačnosti tuhého tělesa vůči určité rovině se nazývá skalární hodnota rovna součtu součinů hmotnosti každého bodu tělesa a druhé mocniny vzdálenosti od tohoto bodu k uvažované rovině [9 ] .

Pokud nakreslíme souřadnicové osy libovolným bodem , pak momenty setrvačnosti vzhledem k souřadnicovým rovinám a budou vyjádřeny pomocí vzorců:

V případě pevného tělesa je sumace nahrazena integrací.

Centrální moment setrvačnosti

Centrální moment setrvačnosti ( moment setrvačnosti k bodu O, moment setrvačnosti k pólu, polární moment setrvačnosti )  je veličina definovaná výrazem [9] :

kde:

Centrální moment setrvačnosti lze vyjádřit jak hlavními osovými momenty setrvačnosti, tak i momenty setrvačnosti vzhledem k rovinám [9] :

Tenzor setrvačnosti a elipsoid setrvačnosti

Moment setrvačnosti tělesa kolem libovolné osy procházející těžištěm a majícího směr daný jednotkovým vektorem lze znázornit jako kvadratickou (bilineární) formu :

(jeden)

kde  je tenzor setrvačnosti . Matice tenzoru setrvačnosti je symetrická, má rozměry a skládá se ze složek odstředivého momentu:

Výběrem vhodného souřadnicového systému lze matici tenzoru setrvačnosti redukovat na diagonální tvar. Chcete-li to provést, musíte vyřešit problém vlastních hodnot pro tenzorovou matici :


kde  je ortogonální přechodová matice k vlastní bázi tenzoru setrvačnosti. Ve své vlastní bázi jsou souřadnicové osy nasměrovány podél hlavních os tenzoru setrvačnosti a také se shodují s hlavními poloosami elipsoidu tenzoru setrvačnosti. Veličiny  jsou hlavní momenty setrvačnosti. Výraz (1) ve svém vlastním souřadném systému má tvar:

odkud je získána rovnice elipsoidu ve vlastních souřadnicích. Dělení obou stran rovnice

a provedení substitucí:

získáme kanonický tvar rovnice elipsoidu v souřadnicích :

Vzdálenost od středu elipsoidu k některým jeho bodům souvisí s hodnotou momentu setrvačnosti tělesa podél přímky procházející středem elipsoidu a tímto bodem:

Viz také

Komentáře

  1. Správné použití znaménka „+“ v tomto vzorci lze ověřit porovnáním momentů setrvačnosti dutého silnostěnného a plného válce se stejnou hmotností. Hmotnost prvního z těchto válců je totiž v průměru koncentrována dále od osy než druhého, a proto musí být moment setrvačnosti tohoto válce větší než u pevného válce. Právě tento poměr momentů setrvačnosti poskytuje znaménko „+“. Na druhé straně v limitu, protože r 1 má tendenci k r 2 , by vzorec pro silnostěnný dutý válec měl mít stejnou formu jako vzorec pro tenkostěnný dutý válec. Je zřejmé, že k takovému přechodu dochází pouze při použití vzorce se znaménkem „+“.

Poznámky

  1. 1 2 3 Targ S. M. Moment setrvačnosti // Fyzikální encyklopedie / Ch. vyd. A. M. Prochorov . - M .: Velká ruská encyklopedie , 1992. - T. 3. - S. 206-207. — 672 s. - 48 000 výtisků.  — ISBN 5-85270-019-3 .
  2. Planetární přehled . Získáno 31. srpna 2010. Archivováno z originálu 14. března 2016.
  3. Showman, Adam P.; Malhotra, Renu. Galileovské satelity   // Věda . - 1999. - Sv. 286 , č.p. 5437 . - str. 77-84 . - doi : 10.1126/science.286.5437.77 . — PMID 10506564 .
  4. Margot, Jean-Luc; a kol. Moment setrvačnosti Merkuru z dat rotace a gravitace  //  Journal of Geophysical Research : deník. - 2012. - Sv. 117 . - doi : 10.1029/2012JE004161 .
  5. Galkin I.N. Mimozemská seismologie. — M .: Nauka , 1988. — S. 42-73. — 195 str. — ( Planeta Země a vesmír ). — 15 000 výtisků.  — ISBN 502005951X .
  6. Panteleev V. L. Fyzika Země a planet. Ch. 3.4 - Gravitační pole planety . Získáno 31. srpna 2010. Archivováno z originálu dne 3. října 2013.
  7. 1 2 3 Targ S. M. Krátký kurz teoretické mechaniky. - M .: " Vysoká škola ", 1995. - S. 269-271. — 416 s. — ISBN 5-06-003117-9 .
  8. 1 2 Buchholz N. N. Hlavní kurz teoretické mechaniky. - 4. vyd. - M .: " Nauka ", 1966. - T. 2. - S. 131.
  9. 1 2 3 Yablonsky A. A. Dynamika // Kurz teoretické mechaniky. - 3. vyd. - M . : " Vyšší škola ", 1966. - T. II. - S. 102-103. — 411 s.

Literatura

Odkazy