Момент инерции системы материальных точек

 

Тело можно представить состоящим из большого числа материальных точек (м.т.), поэтому момент инерции системы м.т.

,

 где  m_i - масса  i-й м.т., R_i - ее расстояние до полюса 0.

Моментом инерции системы материальных точек или тела относительно полюса (точки) называют алгебраическую сумму  произведений масс м.т., из которых состоит тело, на квадрат расстояния  их до полюса 0.

При непрерывном распределении массы по объему тела момент инерции относительно полюса

В случае момента инерции относительно полюса массу dm умножают на квадрат расстояния до неподвижной точки (полюса), а в случае момента инерции относительно оси - до неподвижной оси.

В декартовой системе координат сумма моментов инерции тела относительно трех взаимно перпендикулярных осей, пересекающих в одной точке 0, равна удвоенному моменту инерции этого тела относительно этого же начала:

Ix + Iy+ Iz = 2I0

Момент инерции тела обладает следующими важнейшими свойствами, имеющими практическое значение.

Момент инерции тела зависит от:

1. расстояния до оси вращения;

2. формы тела;

3. массы тела;

4. распределения массы тела по его объему.

9

Плечо силы

Плечо силы - это длина перпендикуляра из некоторой вымышленной точки О к силе. Вымышленный центр, точку О, будем выбирать произвольно, моменты каждой силы определяем относительно этой точки. Нельзя для определения моментов одних сил выбрать одну точку О, а для нахождения моментов других сил выбрать ее в другом месте!

На камень действуют сила тяжести, сила трения, сила реакции опоры, две дополнительные внешние силы F₁ и F₂

Выбираем точку О в произвольном месте, больше ее местоположение не изменяем. Тогда плечо силы тяжести - это длина перпендикуляра (отрезок d) на рисунке

Плечо силы реакции опоры определяется аналогично

Если перпендикуляр нет возможности построить, то вектор силы продлевается в необходимом направлении, после чего строим перпендикуляр к этой линии. Плечо силы F₂

Плечо силы F₁

Осталась сила трения! Если точка О и сила лежат на одной линии, то плечо этой силы равно нулю. Плечо силы трения равно нулю.

При решении задач выгодно точку О выбирать в точке пересечения нескольких сил. Тогда плечи всех этих сил будут нулевыми. Например, если точку О в предыдущем примере выбрать иначе, то плечи сил будут иными.

Плечи сил F₁, F₂ и силы тяжести равны нулю, так как точка О лежит с ними на одной прямой (или на самой силе). Плечо силы реакции опоры - это длина d₁. Плечо силы трения - это длина d₂.

Момент силы

Это векторная величина, определяется по формуле

Направление вектора момента силы определяется следующим образом. Представляем в какую сторону сила пытается повернуть (тащить) тело относительно точки О, если тело с точкой О закреплены осью. Если по часовой стрелки, то вектор имеет знак "+", если против часовой, тогда знак "-".

Момент силы реакции опоры отрицательный, так как сила реакции опоры "поворачивает" тело против часовой стрелки

Момент силы тяжести положительный, так как сила тяжести "поворачивает" тело по часовой стрелки

Если точка О выбрана на теле

Момент силы реакции опоры и силы трения положительные, так как силы "поворачивают" тело по часовой стрелки

10 теорема Штейнера (названа по имени швейцарского математика Якоба Штейнера и голландского математика, физика и астронома Христиана Гюйгенса): момент инерции   тела относительно произвольной оси равен сумме момента инерции этого тела   относительно параллельной ей оси, проходящей через центр масс тела, и произведения массы тела  на квадрат расстояния   между осями:

где

 — известный момент инерции относительно оси, проходящей через центр масс тела,

 — искомый момент инерции относительно параллельной оси,

 — масса тела,

 — расстояние между указанными осями.

ВЫВОД

Момент инерции, по определению:

Радиус-вектор   можно расписать как сумму двух векторов:

,

где   — радиус-вектор расстояния между старой и новой осью вращения. Тогда выражение для момента инерции примет вид:

Вынося за сумму  , получим:

Поскольку старая ось проходит через центр масс, то суммарный импульс тела будет равен нулю:

Тогда:

Откуда и следует искомая формула:

,

где   — известный момент инерции относительно оси, проходящей через центр масс тела.

ПРИМЕР

Момент инерции стержня относительно оси, проходящей через его центр и перпендикулярной стержню, (назовём её осью  ) равен

Тогда согласно теореме Штейнера его момент относительно произвольной параллельной оси будет равен

где   — расстояние между искомой осью и осью  . В частности, момент инерции стержня относительно оси, проходящей через его конец и перпендикулярной стержню, можно найти положив в последней формуле  :