Момент инерции для диска формула

Описание

Изображение

Моменты инерции

Комментарии

Тонкая цилиндрическая оболочка с открытыми концами радиуса r и массы m

[1]

Предполагается, что толщина корпуса пренебрежимо мала. Этот объект является частным случаем нижеследующего при r₁=r₂.

Кроме того, точка массы m на конце стержня длиной r имеет тот же момент инерции, а r называется радиусом инерции.

Толстостенная цилиндрическая труба с открытыми концами, внутреннего радиуса r₁, внешнего радиуса r₂, длиной h и массой m

[1] [2]

или при определении нормированной толщины t_n = t/r и полагая r = r₂,
тогда

При плотности ρ и той же геометрии:

Сплошной цилиндр радиуса r, высотой h и массы m

[1]

Это частный случай предыдущего объекта при r₁=0. (Примечание: для правориентированной системы координат оси X-Y нужно поменять местами)

Тонкий твердый диск радиуса r и массы m

Это частный случай предыдущего объекта при h=0.

Тонкое кольцо радиуса r и массы m

Это частный случай тора при b=0 (см. ниже), а также частный случай толстостенной цилиндрической трубы с открытыми концами при r₁=r₂ и h=0.

Твёрдый шар радиуса r и массы m

[1]

Сферу можно представить как множество бесконечно тонких твёрдых дисков, радиус которых изменяется от 0 до r.

Пустотелая сфера радиуса r и массы m

[1]

Аналогично твёрдой сфере, пустотелую сферу можно рассматривать как множество бесконечно тонких колец.

Твёрдый эллипсоид с полуосями a, b и c, с осью вращения a и массой m

[3]
[3]

Твёрдый кубоид с высотой h, шириной w, глубиной d и массой m

Для аналогично ориентированного куба с длиной ребра , .

Твёрдый кубоид с высотой D, шириной W, длиной L, массой m и с осью вращения вдоль самой длинной диагонали.

Для куба с длиной ребра , .

Тонкая прямоугольная пластина высоты h, ширины w и массы m

[1]

[1]

Это выражение предполагает, что стержень имеет вид бесконечно тонкой, но жёсткой проволоки. Это частный случай предыдущего объекта для w = L и h = .

Тонкая прямоугольная пластина высоты h, ширины w и массы m
(Ось вращения в конце пластины)

Стержень длины L и массы m
(Ось вращения на конце стержня)

[1]

Это выражение предполагает, что стержень имеет вид бесконечно тонкой, но жёсткой проволоки. Это частный случай предыдущего объекта для h = L и w = .

Тороидальная труба радиуса a, радиуса сечения b и массы m.

Ось вращения относительно диаметра: [4]
Ось вращения относительно вертикальной оси: [4]

Плоскость многоугольника с вершинами , , , . и массой , равномерно распределенной на его объёму, вращающийся относительно оси, перпендикулярной плоскости и проходящей через начало координат.

Бесконечный диск с нормально распределенной вокруг осей вращения массой по двум координатам

(т.е.

где: — плотность масс как функция x и y).

Две точечные массы M и m на расстоянии x друг от друга

— приведённая масса.

В решении задач 12.1 —12.4 не учитывалась инертность вращающихся частей (барабана, редуктора и электродвигателя). Работа, затрачиваемая на ускорение вращательного движения, может быть определена через кинетическую энергию вращающейся массы т. Для объема массой dm, находящегося на расстоянии г от центра вращения, кинетическая энергия равна dmx> 2 / 2. Скорость ц = cor, тогда кинетическая энергия объема массой dm вращающегося тела равна dm со 2 г 2 / 2. По аналогии с выражением кинетической энергии объема массой dm при поступательном движении как функции от ц 2 / 2 запишем выражение для кинетической энергии при вращательном движении как функцию от со 2 / 2:

где dJ = r 2 dm — мера инертности во вращательном движении элементарного объема массой dm, находящегося на расстоянии гот оси вращения.

Интеграл по объему тела

момент инерции тела относительно оси вращения Z-

Моменты инерции тел простой формы

1. Круглый однородный тонкий диск радиуса R постоянной толщины И и плотности р (рис. 12.1, а).

Ось вращения проходит через центр диска. Момент инерции диска равен

Рис. 12.1. К определению моментов инерции тел простой геометрической формы

Масса диска т = рhnR 2 . Таким образом, момент инерции тонкого однородного диска относительно собственного центра массы (центра тяжести) равен J_Cz = mR 2 / 2.

2. Круглое тонкое кольцо радиуса R постоянной ширины b и толщины И (рис. 12.1, б).

Масса кольца

Следовательно, момент инерции кольца равен

и для очень узкого кольца при b« R момент инерции J_Cz = mR 2 .

• 3. Тонкий однородный стержень сечением s и длиной I.
• 3.1. Пусть ось вращения г проходит через центр тяжести (рис. 12.1, в). Интеграл

где 5 — площадь поперечного сечения стержня.

Масса стержня т = рsi. Следовательно, J_Cz = тР / 12.

3.2. Ось вращения ? проходит через один из концов стержня (рис. 12.1, г).

т.е. в 4 раза больше J c_z—

Момент инерции тела относительно произвольной оси вращения

Момент инерции тела J_z относительно оси вращения, смещенной на расстояние с относительно центра масс тела, запишем в виде

Интеграл по объему где т — масса тела. Интеграл

относительно оси, проходящей через центр тяжести (центр

Следовательно, при параллельном переносе момент инерции тела относительно оси, находящейся на расстоянии с от центра тяжести, равен

где У_с, =jr 2 dm — момент инерции тела относительно оси, проходящей через центр тяжести этого тела.

Используя формулу (12.9), определить момент инерции тонкого стержня длиной / и постоянной площади сечения s. Ось вращения проходит через один из концов стрежня.

Момент инерции стержня относительно оси, проходящей через центр тяжести, равен J_Cz = тР / 12. Момент инерции относительно оси, проходящей от центра тяжести на расстоянии 1/2, равен

?

Согласно (12.9) из всех осей данного направления наименьшее значение имеет момент инерции относительно оси, проходящей через центр тяжести тела.

Совместим начало ортогональной системы координат с центром тяжести тела. Используя формулу (12.8), можно определить моменты инерции тела J_x, J_y и Jотносительно каждой из трех осей координат. Мысленно поворачивая тело поочередно относительно каждой из координатных осей, можно заметить, что в некоторых положениях значения моментов инерции достигают экстремальных значений. Оси, относительно которых один из моментов инерции тела достигает наибольшего значения (из всех возможных при любых поворотах), а другие — наименьших значений, называют главными осями инерции тела. Очевидно, что для тела с центром симметрии (шар, полый шар) все оси главные. Ось симметрии тела (цилиндра, прямоугольного параллелепипеда и т.п.) также является главной осью.

Если главная ось инерции детали, например ротора турбины, смещена параллельно оси вращения (рис. 12.2, а), то на ротор действует центростремительная сила, равная С_е = тоз 2 е_с (т — масса ротора; е_с — смещение главной оси инерции ротора относительно оси вращения). Сила С_е воспринимается опорами ротора и пере-

Рис. 12.2. Схема сил инерции при вращении неуравновешенного ротора дается фундаменту машины. Заметим, что вектор силы С_г по отношению к неподвижным опорам и фундаменту вращается с частотой со. Возникают колебания машины и фундамента. Очевидно, для уравновешивания ротора необходимо обеспечить г_с = 0. Такое уравновешивание называется статическим и может быть выполнено при невращающемся роторе.

На рис. 12.2, б показана схема сил инерции, действующих при вращении на статически уравновешенный ротор. При этом главная ось инерции может не совпадать с осью вращения, образуя с ней некоторый угол а.

Центростремительные силы С_а, действующие на правую и левую части ротора, противоположно направлены и создают момент сил. Этот момент сил передается на опоры ротора, возбуждая колебания машины и фундамента. Для уравновешивания ротора необходимо обеспечить а = 0, что возможно только при вращении ротора, и поэтому оно называется динамическим. По данным измерения колебаний машины определяют, в каком месте ротора необходимо установить противовес или удалить часть материала ротора.

Учитывая некоторое различие плотности и других свойств литого материала, слитки для поковок роторов паровых турбин изготавливают в форме тел с осевой симметрией относительно продольной оси, с которой должна будет совпадать ось вращения ротора.

Определить ускорение тележки с грузом по условию задачи 12.4.

Момент инерции ротора электродвигателя равен / = 0,03 кгм 2 . Масса барабана т₆ = 200 кг, а радиус R = 0,2 м.

При возможных перемещениях 8ф и 8х зависимость (12.5) запишем в виде

где 8х = R 5(р / / (/_пр — передаточное отношение между валами электродвигателя и подъемника).

Соответственно, ускорение х = /?ф//_пр; угол поворота барабана 8ф_б = = 8ф / / ; угловое ускорение барабана ф_б = ф//_пр. Тогда

Момент инерции барабана определим, полагая, что масса барабана сосредоточена на радиусе R. Тогда /_б = тЮ = 200 • 0,2 2 = 8 кг • м 2 . Передаточное число / = to R / х> = 60,7.

Угловое ускорение ротора электродвигателя

Ускорение тележки с грузом х = 0,573 м/с 2 . Это значение почти в 4 раза меньше, чем расчетное ускорение без учета инертности двигателя и барабана (см. задачу 12.3). ?

В задаче 12.6 сомножитель при угловом ускорении представляет собой момент инерции системы, приведенный к оси электродвигателя. Очевидно, что для получения приведенного момента инерции деталей, установленных на тихоходном валу, к оси более быстроходного вала следует уменьшить его значение в / 2 раза (/ — передаточное отношение между этими валами).

Часто мы слышим выражения: «он инертный», «двигаться по инерции», «момент инерции». В переносном значении слово «инерция» может трактоваться как отсутствие инициативы и действий. Нас же интересует прямое значение.

Ежедневная рассылка с полезной информацией для студентов всех направлений – на нашем телеграм-канале.

Что такое инерция

Согласно определению инерция в физике – это способность тел сохранять состояние покоя или движения в отсутствие действия внешних сил.

Если с самим понятием инерции все понятно на интуитивном уровне, то момент инерции – отдельный вопрос. Согласитесь, сложно представить в уме, что это такое. В этой статье Вы научитесь решать базовые задачи на тему «Момент инерции».

Определение момента инерции

Из школьного курса известно, что масса – мера инертности тела. Если мы толкнем две тележки разной массы, то остановить сложнее будет ту, которая тяжелее. То есть чем больше масса, тем большее внешнее воздействие необходимо, чтобы изменить движение тела. Рассмотренное относится к поступательному движению, когда тележка из примера движется по прямой.

По аналогии с массой и поступательным движением момент инерции – это мера инертности тела при вращательном движении вокруг оси.

Момент инерции – скалярная физическая величина, мера инертности тела при вращении вокруг оси. Обозначается буквой J и в системе СИ измеряется в килограммах, умноженных на квадратный метр.

Как посчитать момент инерции? Есть общая формула, по которой в физике вычисляется момент инерции любого тела. Если тело разбить на бесконечно малые кусочки массой dm, то момент инерции будет равен сумме произведений этих элементарных масс на квадрат расстояния до оси вращения.

Это общая формула для момента инерции в физике. Для материальной точки массы m, вращающейся вокруг оси на расстоянии r от нее, данная формула принимает вид:

Теорема Штейнера

От чего зависит момент инерции? От массы, положения оси вращения, формы и размеров тела.

Теорема Гюйгенса-Штейнера – очень важная теорема, которую часто используют при решении задач.

Кстати! Для наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы

Теорема Гюйгенса-Штейнера гласит:

Момент инерции тела относительно произвольной оси равняется сумме момента инерции тела относительно оси, проходящей через центр масс параллельно произвольной оси и произведения массы тела на квадрат расстояния между осями.

Для тех, кто не хочет постоянно интегрировать при решении задач на нахождение момента инерции, приведем рисунок с указанием моментов инерции некоторых однородных тел, которые часто встречаются в задачах:

Пример решения задачи на нахождение момента инерции

Рассмотрим два примера. Первая задача – на нахождение момента инерции. Вторая задача – на использование теоремы Гюйгенса-Штейнера.

Задача 1. Найти момент инерции однородного диска массы m и радиуса R. Ось вращения проходит через центр диска.

Разобьем диск на бесконечно тонкие кольца, радиус которых меняется от до R и рассмотрим одно такое кольцо. Пусть его радиус – r, а масса – dm. Тогда момент инерции кольца:

Массу кольца можно представить в виде:

Здесь dz – высота кольца. Подставим массу в формулу для момента инерции и проинтегрируем:

В итоге получилась формула для момента инерции абсолютного тонкого диска или цилиндра.

Задача 2. Пусть опять есть диск массы m и радиуса R. Теперь нужно найти момент инерции диска относительно оси, проходящей через середину одного из его радиусов.

Момент инерции диска относительно оси, проходящей через центр масс, известен из предыдущей задачи. Применим теорему Штейнера и найдем:

Кстати, в нашем блоге Вы можете найти и другие полезные материалы по физике и решению задач.

Надеемся, что Вы найдете в статье что-то полезное для себя. Если в процессе расчета тензора инерции возникают трудности, не забывайте о студенческом сервисе. Наши специалисты проконсультируют по любому вопросу и помогут решить задачу в считанные минуты.