Moment setrvačnosti | |
---|---|
Dimenze | L 2 M |
Jednotky | |
SI | kg m² _ _ |
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.
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
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:
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 |
Tenkostěnný válec (kroužek, obruč)
Odvození vzorceMoment 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 vzorceNechť 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 vzorceUvažujeme-li válec (disk) jako prstenec s nulovým vnitřním poloměrem ( R 1 = 0 ), získáme vzorec pro moment setrvačnosti válce (disku):
pevný kužel
Odvození vzorceRozdělme 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 vzorceRozdělme 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 vzorceK 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 vzorceRozdělme tyč na malé fragmenty délky dr . Hmotnost a moment setrvačnosti takového fragmentu je
Integrace, rozumíme
Tenká tyč (osa prochází koncem)
Odvození vzorcePři 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]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] .
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] .
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 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 ( 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] :
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:
Tematické stránky | |
---|---|
Slovníky a encyklopedie |
|
V bibliografických katalozích |
|