Моменты инерции относительно точки и оси
Моментом инерции механической системы, состоящей из
материальных точек, относительно точки
называется сумма произведений масс этих точек на квадраты их расстояний до точки
(рис. 51), т. е.
. (139)
Момент инерции относительно точки часто называют полярным моментом инерции. В случае сплошного тела сумма переходит в интеграл и для полярного момента инерции имеем:
, (139')
где – масса элементарной частицы тела (в пределе точка);
– ее расстояние до точки
.
Моментом инерции системы материальных точек относительно оси
называется сумма произведений масс этих точек на квадраты их расстояний
до оси
(рис. 51):
. (140')
В частном случае сплошного тела сумму следует заменить интегралом:
, (140')
Моменты инерции одинаковых по форме однородных тел, изготовленных из разных материалов, отличаются друг от друга. Характеристикой, не зависящей от массы материала, является радиус инерции. Радиус инерции , относительно оси
определяется но формуле
, (141)
где – масса тела.
Момент инерции относительно оси через радиус инерции относительно этой оси определяется выражением
, (141')
В справочниках по моментам инерции приводят таблицы значений радиусов инерции различных тел.
Моменты инерции относительно осей координат
Моменты инерции относительно декартовых осей координат
,
и
и их начала – точки
(рис. 52) – определяются выражениями:
,
,
, (142)
, (143)
где – координаты материальных точек системы. Для сплошных тел эти формулы примут вид
,
,
,
.
Сумма моментов инерции относительно декартовых осей координат не зависит от ориентации этих осей в рассматриваемой точке, т.е. является величиной, инвариантной по отношению к направлению осей координат.
Для осей координат можно определить следующие три центробежных момента инерции:
,
,
. (144)
Центробежные моменты инерции часто называют произведениями инерции. Если центробежные моменты инерции равны нулю, оси называют главными осями инерции. Если при этом в качестве начала координат выбран центр масс, их называют главными центральными осями инерции
Моменты инерции относительно осей и точек – величины положительные. Центробежные моменты инерции могут быть как положительными, так и отрицательными.
Кроме рассмотренных моментов инерции иногда используются моменты инерции относительно координатных плоскостей ,
,
:
,
,
.
Теорема Штейнера
Установим зависимость между моментами инерции системы относительно параллельных осей, одна из которых проходит через центр масс. Пусть имеем две системы прямоугольных, взаимно параллельных осей координат
и
. Начало системы координат
находится в центре масс системы (рис. 53).
По определению момента инерции относительно оси имеем:
,
,
где – масса точки
, а
и
– координаты этой точки относительно систем
и
. Обозначим расстояние между осями
и
через
.
Связь моментов инерции относительно двух параллельных осей, одна из которых проходит через центр масс, составляет содержание так называемой теоремы Штейнера или Гюйгенса–Штейнера: момент инерции системы относительно какой-либо оси равен моменту инерции относительно параллельной оси, проходящей через центр масс, плюс произведение массы системы на квадрат расстояния между этими осями:
. (145)