Глава 4. Механіка твердого тіла § 16. Момент інерції

При вивченні обертання твердого тіла користуються поняттям моменту інерції. Моментом інерції системи (тіла) відносно осі обертання називається фізична величина, рівна сумі творів мас n матеріальних точок системи на квадрати їх відстаней до даної осі :

У разі безперервного розподілу мас ця сума зводиться до інтеграла

де інтеграція робиться за усім обсягом тіла. Величина r в цьому випадку є функція положення точки з координатами х, у, z.

Як приклад знайдемо момент інерції однорідного суцільного циліндра заввишки Л і радіусом R відносно його геометричної осі (рис.23).

Розіб'ємо циліндр на окремі порожнисті концентричні циліндри нескінченно малої товщини dr з внутрішнім радіусом r і зовнішнім – r+dr. Момент інерції кожного порожнистого циліндра dJ = r²dm (оскільки dr<<r, то вважаємо, що відстань усіх точок циліндра від осі рівна r), де dm - маса усього елементарного циліндра; його об'єм 2rhdr. Якщо  - щільність матеріалу, то dm=*2rhdr і dJ = 2r³dr. Тоді момент інерції суцільного циліндра

але оскільки R^'2h - об'єм циліндра, то його маса m = R²h, а момент інерції

J = 1/2R².

Якщо відомий момент інерції тіла відносно осі, що проходить через його центр мас, то момент інерції відносно будь-якої іншої паралельної осі визначається теоремою Штейнера : момент інерції тіла J відносно будь-якої осі обертання дорівнює моменту його інерції J_c відносно паралельної осі, що проходить через центр мас З тіла, складений з твір маса m тіло на квадрат відстань а між вісями

J = J_c + ma². (16.1)

Таблиця 1

На закінчення приведемо значення моментів інерції (таблиця. 1) для деяких тіл (тіла вважаються однорідними, т - маса тіла).

§ 17. Кінетична енергія оберту

Розглянемо абсолютно тверде тіло (см § 1), що обертається біля нерухомої осі z, що проходить через нього (мал. 24). Подумки розіб'ємо це тіло на маленькі об'єми з елементарними масами m₁, m₂ ..., m_n, що знаходяться на відстані r₁, r₂ ..., r_n від осі обертання. При обертанні твердого тіла відносно нерухомої осі окремі його елементарні об'єми масами mi, опишуть кола різних радіусів r_i і мають різні лінійні швидкості vi. Але оскільки ми розглядаємо абсолютно тверде тіло, то кутова швидкість обертання цих об'ємів однакова:

 = v₁/r₁ = v₂/r₂ = ... = v_n/r_n. (17.1)

Кінетичну енергію тіла, що обертається, знайдемо як суму кінетичних енергій його елементарних об'ємів :

Або

Використовуючи вираз (17.1), отримаємо

де J_z - момент інерції тіла відносно осі 2. Таким чином, кінетична енергія тіла, що обертається

T_вр = J_z²/2. (17.2)

З порівняння формули (17.2) з вираженням (12.1) для кінетичної енергії тіла, що рухається поступально (T= mv²/2), витікає, що момент інерції обертального руху - міра інертності тіла. Формула (17.2) справедлива для тіла, що обертається навколо нерухомої осі. У разі плоского руху тіла, наприклад циліндра, що скачується з похилої площини без ковзання, енергія руху складається з енергії поступальної ходи і енергії обертання :

де m - маса тіла, що котиться; v_c - швидкість центру мас тіла; J_с - момент інерції тіла відносно осі, що проходить через його центр мас;  - кутова швидкість тіла.