22543

Моменты инерции относительно параллельных осей

Лекция

Производство и промышленные технологии

Моменты инерции относительно параллельных осей. Задачу получить наиболее простые формулы для вычисления момента инерции любой фигуры относительно любой оси будем решать в несколько приемов. Если взять серию осей параллельных друг другу то оказывается что можно легко вычислить моменты инерции фигуры относительно любой из этих осей зная ее момент инерции относительно оси проходящей через центр тяжести фигуры параллельно выбранным осям. Расчетная модель определения моментов инерции для параллельных осей.

Русский

2013-08-04

119.5 KB

9 чел.

Сопротивление материалов Сагадеев В.В.

Лекция № 17. Моменты инерции относительно параллельных осей.

   Задачу — получить наиболее простые формулы для вычисления момента инерции любой фигуры относительно любой оси — будем решать в несколько приемов. Если взять серию осей, параллельных друг другу, то оказывается, что можно легко вычислить моменты инерции фигуры относительно любой из этих осей, зная ее момент инерции относительно оси, проходящей через центр тяжести фигуры параллельно выбранным осям.



Рис.1. Расчетная модель определения моментов инерции для параллельных осей.

 

   Оси, проходящие через центр тяжести, мы будем называть центральными осями. Возьмем (Рис.1) произвольную фигуру. Проведем центральную ось Оу, момент инерции относительно этой оси назовем . Проведем в плоскости фигуры ось параллельно оси у на расстоянии от нее. Найдем зависимость между и — моментом инерции относительно оси . Для этого напишем выражения для и . Разобьем площадь фигуры на площадки ; расстояния каждой такой площадки до осей у и назовем и . Тогда

и

Из рис.1 имеем:

   Первый из этих трех интегралов — момент инерции относительно центральной оси Оу. Второй — статический момент относительно той же оси; он равен нулю, так как ось у проходит через центр тяжести фигуры. Наконец, третий интеграл равен площади фигуры F. Таким образом,

(1)

т. е. момент инерции относительно любой оси равен моменту инерции относительно центральной оси, проведенной параллельно у данной, плюс произведение площади фигуры на квадрат расстояния между осями.

   Значит, наша задача теперь свелась к вычислению только центральных моментов инерции; если мы их будем знать, то сможем вычислить момент инерции относительно любой другой оси. Из формулы (1) следует, что центральный момент инерции является наименьшим среди моментов инерции относительно параллельных осей и для него мы получаем:

Найдем также центробежный момент инерции относительно осей , параллельных центральным, если известен (Рис.1). Так как по определению

где: , то отсюда следует

   Так как два последних интеграла представляют собой статические моменты площади относительно центральных осей Оу и Oz то они обращаются в нуль и, следовательно:

(2)

   Центробежный момент инерции относительно системы взаимно перпендикулярных осей, параллельных центральным, равен центробежному моменту инерции относительно этих центральных осей плюс произведение из площади фигуры, на координаты ее центра тяжести относительно новых осей.

   Зависимость между моментами инерции при повороте осей.

   Центральных осей можно провести сколько угодно. Является вопрос, нельзя ли выразить момент инерции относительно любой центральной оси в зависимости от момента инерции относительно одной или двух определенных осей. Для этого посмотрим, как будут меняться моменты инерции относительно двух взаимно перпендикулярных осей при повороте их на угол .

   Возьмем какую-либо фигуру и проведем через ее центр тяжести О две взаимно перпендикулярные оси Оу и Oz (Рис.2).



Рис.2. Расчетная модель для определения моментов инерции для повернутых осей.

 

   Пусть нам известны осевые моменты инерции относительно этих осей , , а также центробежный момент инерции .Начертим вторую систему координатных осей и наклоненных к первым под углом ; положительное направление этого угла будем считать при повороте осей вокруг точки О против часовой стрелки. Начало координат О сохраняем. Выразим моменты относительно второй системы координатных осей и, через известные моменты инерции и .

Напишем выражения для моментов инерции относительно этих осей:

(3)

Из чертежа видно, что координаты площадки dF в системе повернутых осей будут:

Подставляя эти значения и в формулы (14.9), получим:

или

(4)

Аналогично:

или

(5)

Первые два интеграла выражений (4) и (5) представляют собой осевые моменты инерции и , а последний — центробежный момент инерции площади относительно этих осей . Тогда:

(6)

Для решения задач могут понадобиться формулы перехода от одних осей к другим для центробежного момента инерции. При повороте осей (Рис.2) имеем:

где и вычисляются по формулам (14.10); тогда

После преобразований получим:

(7)

   Таким образом, для того чтобы вычислить момент инерции относительно любой центральной оси , надо знать моменты инерции и относительно системы каких-нибудь двух взаимно перпендикулярных центральных осей Оу и Oz, центробежный момент инерции относительно тех же осей и угол наклона оси к оси у.

   Для вычисления же величин > , приходится так выбирать оси у и z и разбивать площадь фигуры на такие составные части, чтобы иметь возможность произвести это вычисление, пользуясь только формулами перехода от центральных осей каждой из составных частей к осям, им параллельным. Как это сделать на практике, будет показано ниже на примере. Заметим, что при этом вычислении сложные фигуры надо разбивать на такие элементарные части, для которых по возможности известны величины центральных моментов инерции относительно системы взаимно перпендикулярных осей.

   Заметим, что ход вывода и полученные результаты не изменились бы, если бы начало координат было взято не в центре тяжести сечения, а в любой другой точке О. Таким образом, формулы (6) и (7) являются формулами перехода от одной системы взаимно-перпендикулярных осей к другой, повернутой на некоторый угол , независимо от того, центральные это оси или нет.

   Из формул (6) можно получить еще одну зависимость между моментами инерции при повороте осей. Сложив выражения для и получим

т. е. сумма моментов инерции относительно любых взаимно перпендикулярных осей у и z не меняется при их повороте. Подставляя последнее выражение вместо и их значения, получим:

где — расстояние площадок dF от точки О. Величина является, как уже известно, полярным моментом инерции сечения относительно точки О.

   Таким образом, полярный момент инерции сечения относительно какой-либо точки равен сумме осевых моментов инерции относительно взаимно перпендикулярных осей, проходящих через эту точку. Поэтому эта сумма и остается постоянной при повороте осей. Этой зависимостью (14.16) можно пользоваться для упрощения вычисления моментов инерции. Так, для круга:

Так как по симметрии для круга то

что было получено выше путем интегрирования.

Точно также для тонкостенного кольцевого сечения можно получить:


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

82043. Изготовление изделий из бисера 6.73 MB
  В настоящее время бисерная вышивка переживает свой расцвет. Это красиво, модно, современно. Вышивкой из бисера украшают не только платья, кофточки, но и обувь, сумки и многое другое. Основой для вышивки служат холст, лен, бархат, атлас, шерсть. Сукно. Нитки следует брать армированные, чтобы бусинки их не перетирали.
82044. Країни південно-східної Азії у другій половині ХХ-го століття 7.55 MB
  Економічна колонізація В’єтнаму французьким капіталом розпочата у другій половині ХІХ ст. в умовах післявоєнного економічного буму французькі колонізатори вдалися до розширеної експлуатації людських і природних багатств В’єтнаму.
82045. Beethovens Musik ist ewig 85 KB
  Liebe Kunstfreunde, liebe Gäste! Es freut mich euch alle in diesem gemütlichen Saal zu begrüßen. Unsere außerschulische Veranstaltung ist dem genialen deutschen Komponisten Ludwig van Beethoven gewidmet. Schüler 1: Ludvig van Beethoven ist einer der größten Komponisten, Schüler 2: einer der berühmtesten Komponisten der Welt,
82046. Золоті правила країни ввічливості 77 KB
  Серед слів які ми вживаємо є чарівні слова ввічливості. Бережи свій час; тримай кожну річ на своєму місці; дотримуйся свого слова. І посміхаються У відповідь люди Добрі слова ж бо Для кожного любі.Я слова чарівні знаю Вивчила охоче І в розмові їх вживаю Зранку і до ночі Доброго здоров’я Галю Добрий день...
82047. «Шануй батька і неньку, то буде тобі скрізь гладенько». Любов до батьків, турбота про них 59.5 KB
  Мета: виховувати у дітей любов та повагу до батьків турботу про них шанобливе ставлення до їхніх настанов та порад бажання щоденно піклуватися про їхнє здоров’я не завдавати їм душевного болю негідними вчинками; прищеплювати бажання бути гідними дітьми своїх батьків прагнення приносити щастя в свій дім.
82048. Подорож країною Екологія 84.5 KB
  Мета: Пробудити в школярів особистої відповідальності за охорону навколишнього середовища, виховувати любов до рідного краю. Обладнання: плакати, телевізор, заставки зупинок, малюнки рослин і тварин Червоної книги України, грамзапис мелодій, присвячених природі, модель квітки.
82049. ІВАН МАЛКОВИЧ «ІЗ ЯНГОЛОМ НА ПЛЕЧІ» 33.5 KB
  Наше свято ми сьогодні присвячуємо творчості нашого поета-земляка, людини знаної не тільки в нас на Україні, але й за її межами. Дитячий видавець, директор видавництва «А-Ба-Ба-Га-Ла-Ма-Га», автор шести власних поетичних збірок, член Спілки письменників України – це Іван Малкович.
82050. Світ жінки (розважальне шоу-гра для старшокласників) 70.5 KB
  Мета: поглибити знання учнів про світ жінки його різноманітність; привернути увагу до видатних жінок їх місце у історії та суспільстві; виховувати повагу до жінки та підвищити мотивацію до саморозвитку та самовдосконалення. Коментар: гра створена за сценарієм шоу Я люблю Україну але на тему світу...
82051. Архітектура рідного міста. Стилістичні ознаки будівель-пам’яток архітектури місцевого значення. Вивчення студентами-архітекторами стилістичних ознак будівель для поглиблення фундаментальних фахових знань 77 KB
  Мета: Підвищити рівень знань та розвинути пізнавальні можливості студентівархітекторів при вивченні архітектурних стилів; поглибити знання студентів про стилістичні ознаки будівель навчити розпізнавати пам’ятки архітектури міста Чернівців за стилями.