Что такое момент силы момент инерции тела

Момент силы и момент инерции

В динамике поступательного движения материальной точки кроме кинематических характеристик вводились понятия силы и массы. При изучении динамики вращательного движения вводятся физические вели­чины — момент сил и момент инерции, физический смысл которых рас­кроем ниже.

Пусть некоторое тело под действием силы Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть фото Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть картинку Что такое момент силы момент инерции тела. Картинка про Что такое момент силы момент инерции тела. Фото Что такое момент силы момент инерции тела, приложенной в точке А, приходит во вращение вокруг оси ОО’ (рисунок 5.1).

Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть фото Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть картинку Что такое момент силы момент инерции тела. Картинка про Что такое момент силы момент инерции тела. Фото Что такое момент силы момент инерции тела

Рисунок 5.1 – К выводу понятия момента силы

Сила действует в плоскости, перпендикулярной оси. Перпендикуляр р, опущенный из точки О (лежащей на оси) на направление силы, назы­вают плечом силы. Произведение силы на плечо определяет модуль мо­мента силы относительно точки О:

Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть фото Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть картинку Что такое момент силы момент инерции тела. Картинка про Что такое момент силы момент инерции тела. Фото Что такое момент силы момент инерции тела(5.1)

Момент силы есть вектор, определяемый векторным произведением радиуса-вектора точки приложения силы и вектора силы:

Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть фото Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть картинку Что такое момент силы момент инерции тела. Картинка про Что такое момент силы момент инерции тела. Фото Что такое момент силы момент инерции тела(5.2)

Единица момента силы — ньютон-метр. м). Направление вектора момента силы находиться с помощью пра­вила правого винта.

Мерой инертности тел при поступательном движении является масса. Инертность тел при вращательном движении зависит не только от массы, но и от ее распределения в пространстве относительно оси вращения. Мерой инертности при вращательном движении служит величина, назы­ваемая моментом инерции тела относительно оси вращения.

Момент инерции материальной точки относительно оси враще­ния — произведение массы этой точки на квадрат расстояния от оси:

Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть фото Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть картинку Что такое момент силы момент инерции тела. Картинка про Что такое момент силы момент инерции тела. Фото Что такое момент силы момент инерции тела(5.3)

Момент инерции тела относительно оси вращениясумма мо­ментов инерции материальных точек, из которых состоит это тело:

Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть фото Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть картинку Что такое момент силы момент инерции тела. Картинка про Что такое момент силы момент инерции тела. Фото Что такое момент силы момент инерции тела(5.4)

В общем случае, если тело сплошное и представляет собой совокуп­ность точек с малыми массами dm, момент инерции определяется интег­рированием:

Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть фото Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть картинку Что такое момент силы момент инерции тела. Картинка про Что такое момент силы момент инерции тела. Фото Что такое момент силы момент инерции тела, (5.5)

где r — расстояние от оси вращения до элемента массой dm.

Если тело однородно и его плотность ρ = m/V, то момент инерции тела

Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть фото Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть картинку Что такое момент силы момент инерции тела. Картинка про Что такое момент силы момент инерции тела. Фото Что такое момент силы момент инерции тела(5.6)

Момент инерции тела зависит от того, относительно какой оси оно вращается и как распределена масса тела по объему.

Наиболее просто определяется момент инерции тел, имеющих пра­вильную геометрическую форму и равномерное распределение массы по объему.

Момент инерции однородного стержня относительно оси, прохо­дящей через центр инерции и перпендикулярной стержню,

Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть фото Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть картинку Что такое момент силы момент инерции тела. Картинка про Что такое момент силы момент инерции тела. Фото Что такое момент силы момент инерции тела(5.7)

Момент инерции однородного цилиндра относительно оси, перпен­дикулярной его основанию и проходящей через центр инерции,

Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть фото Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть картинку Что такое момент силы момент инерции тела. Картинка про Что такое момент силы момент инерции тела. Фото Что такое момент силы момент инерции тела(5.8)

Момент инерции тонкостенного цилиндра или обруча относи­тельно оси, перпендикулярной плоскости его основания и проходящей через его центр,

Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть фото Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть картинку Что такое момент силы момент инерции тела. Картинка про Что такое момент силы момент инерции тела. Фото Что такое момент силы момент инерции тела(5.9)

Момент инерции шара относительно диаметра

Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть фото Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть картинку Что такое момент силы момент инерции тела. Картинка про Что такое момент силы момент инерции тела. Фото Что такое момент силы момент инерции тела(5.10)

Определим момент инерции диска относительно оси, проходящей че­рез центр инерции и перпендикулярной плоско­сти вращения. Пусть масса диска – m, а его радиус – R.

Площадь кольца (рисунок 5.2), заключенного между r и Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть фото Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть картинку Что такое момент силы момент инерции тела. Картинка про Что такое момент силы момент инерции тела. Фото Что такое момент силы момент инерции тела, равна Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть фото Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть картинку Что такое момент силы момент инерции тела. Картинка про Что такое момент силы момент инерции тела. Фото Что такое момент силы момент инерции тела.

Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть фото Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть картинку Что такое момент силы момент инерции тела. Картинка про Что такое момент силы момент инерции тела. Фото Что такое момент силы момент инерции тела

Рисунок 5.2 – К выводу момента инерции диска

Площадь диска Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть фото Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть картинку Что такое момент силы момент инерции тела. Картинка про Что такое момент силы момент инерции тела. Фото Что такое момент силы момент инерции тела. При постоянной толщине кольца,

Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть фото Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть картинку Что такое момент силы момент инерции тела. Картинка про Что такое момент силы момент инерции тела. Фото Что такое момент силы момент инерции тела

откуда Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть фото Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть картинку Что такое момент силы момент инерции тела. Картинка про Что такое момент силы момент инерции тела. Фото Что такое момент силы момент инерции телаили Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть фото Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть картинку Что такое момент силы момент инерции тела. Картинка про Что такое момент силы момент инерции тела. Фото Что такое момент силы момент инерции тела.

Тогда момент инерции диска,

Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть фото Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть картинку Что такое момент силы момент инерции тела. Картинка про Что такое момент силы момент инерции тела. Фото Что такое момент силы момент инерции тела(5.11)

Для наглядности на рисунке 5.3 изображены однородные твердые тела различной формы и указаны моменты инерции этих тел относительно оси, проходящей через центр масс.

Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть фото Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть картинку Что такое момент силы момент инерции тела. Картинка про Что такое момент силы момент инерции тела. Фото Что такое момент силы момент инерции тела

Рисунок 5.3 – Моменты инерции IC некоторых однородных твердых тел.

Теорема Штейнера

Приведенные выше формулы для моментов инерции тел даны при усло­вии, что ось вращения проходит через центр инерции. Чтобы определить моменты инерции тела относительно произвольной оси, следует восполь­зоваться теоремой Штейнера: момент инерции тела относительно произвольной оси вращения равен сумме момента инерции J0 отно­сительно оси, параллельной данной и проходящей через центр инер­ции тела, и величины md 2 :

Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть фото Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть картинку Что такое момент силы момент инерции тела. Картинка про Что такое момент силы момент инерции тела. Фото Что такое момент силы момент инерции тела(5.12)

где m — масса тела, d — расстояние от центра масс до выбранной оси вра­щения. Единица момента инерции — килограмм-метр в квадрате (кг . м 2 ).

Так, момент инерции однородного стержня длиной l относительно оси, про­ходящей через его конец, по теореме Штейнера равен

Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть фото Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть картинку Что такое момент силы момент инерции тела. Картинка про Что такое момент силы момент инерции тела. Фото Что такое момент силы момент инерции тела(5.13)

Дата добавления: 2017-01-08 ; просмотров: 29972 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник

Лекция №5. ДИНАМИКА АБСОЛЮТНО ТВЕРДОГО ТЕЛА

4.1. Динамика поступательного движения твердого тела.

Движение любого твердого тела можно рассматривать как сумму поступательного движения его центра масс и вращательного движения относительно оси, проходящей через его центр масс.

Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть фото Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть картинку Что такое момент силы момент инерции тела. Картинка про Что такое момент силы момент инерции тела. Фото Что такое момент силы момент инерции тела

Также можно воспользоваться понятием центра масс и к поступательному движению твердого тела применить закон движения центра масс

Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть фото Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть картинку Что такое момент силы момент инерции тела. Картинка про Что такое момент силы момент инерции тела. Фото Что такое момент силы момент инерции тела

Центр масс твердого тела движется как материальная точка, в которой сосредоточена масса тела, и на которую действуют все силы, приложенные к телу. Уравнение (4.1.2) дает возможность установить закон движение центра масс твердого тела, если известна масса тела и действующие на него силы. Если тело движется только поступательно, то это уравнение будет определять не только закон движения центра масс, но и любой другой точки тела.

4.2. Момент импульса. Момент силы.

Момент силы. Векторная величина, равная векторному произведению радиус-вектора r точки, проведенному из полюса в точку приложения силы, на силу F называется моментом силы материальнойточки относительно некоторого центра

Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть фото Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть картинку Что такое момент силы момент инерции тела. Картинка про Что такое момент силы момент инерции тела. Фото Что такое момент силы момент инерции тела

Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть фото Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть картинку Что такое момент силы момент инерции тела. Картинка про Что такое момент силы момент инерции тела. Фото Что такое момент силы момент инерции тела

Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть фото Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть картинку Что такое момент силы момент инерции тела. Картинка про Что такое момент силы момент инерции тела. Фото Что такое момент силы момент инерции тела

Плечо силы − это расстояние, измеряемое по перпендикуляру от оси вращения до линии, вдоль которой действует сила.

Если на тело действует несколько сил, то суммарный момент этих сил равен векторной сумме моментов всех сил относительно данной оси:

Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть фото Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть картинку Что такое момент силы момент инерции тела. Картинка про Что такое момент силы момент инерции тела. Фото Что такое момент силы момент инерции тела

Момент импульса. Векторная величина, равная векторному произведению радиус-вектора r точки, проведенного из центра на ее импульс m υ называется моментом импульса материальной точки относительно некоторого центра

Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть фото Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть картинку Что такое момент силы момент инерции тела. Картинка про Что такое момент силы момент инерции тела. Фото Что такое момент силы момент инерции тела

Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть фото Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть картинку Что такое момент силы момент инерции тела. Картинка про Что такое момент силы момент инерции тела. Фото Что такое момент силы момент инерции тела

Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть фото Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть картинку Что такое момент силы момент инерции тела. Картинка про Что такое момент силы момент инерции тела. Фото Что такое момент силы момент инерции тела

Плечо импульса − это расстояние, измеряемое по перпендикуляру от оси вращения до линии, вдоль которой направлен импульс.

Таким образом, модуль вектора момента импульса относительно центра или оси − есть скалярная величина, равная произведению импульса p на плечо импульса d относительно этой оси.

Моментом импульса механической системы относительно некоторого центра называется векторная величина, равная геометрической сумме моментов импульса относительно той же точки всех материальных точек системы

Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть фото Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть картинку Что такое момент силы момент инерции тела. Картинка про Что такое момент силы момент инерции тела. Фото Что такое момент силы момент инерции тела

4.3. Основное уравнение динамики вращательного движения относительно точки.

Запишем уравнения движения частиц:

Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть фото Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть картинку Что такое момент силы момент инерции тела. Картинка про Что такое момент силы момент инерции тела. Фото Что такое момент силы момент инерции тела

Умножим каждое уравнение системы (4.3.3) на соответствующий радиус-вектор и получим

Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть фото Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть картинку Что такое момент силы момент инерции тела. Картинка про Что такое момент силы момент инерции тела. Фото Что такое момент силы момент инерции тела

Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть фото Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть картинку Что такое момент силы момент инерции тела. Картинка про Что такое момент силы момент инерции тела. Фото Что такое момент силы момент инерции тела

Преобразуем данные уравнения

Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть фото Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть картинку Что такое момент силы момент инерции тела. Картинка про Что такое момент силы момент инерции тела. Фото Что такое момент силы момент инерции тела

Сложим эти уравнения и получим

Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть фото Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть картинку Что такое момент силы момент инерции тела. Картинка про Что такое момент силы момент инерции тела. Фото Что такое момент силы момент инерции тела

В последнем уравнении:

Таким образом, выражение (4.3.6) можно записать в виде

Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть фото Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть картинку Что такое момент силы момент инерции тела. Картинка про Что такое момент силы момент инерции тела. Фото Что такое момент силы момент инерции тела

Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть фото Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть картинку Что такое момент силы момент инерции тела. Картинка про Что такое момент силы момент инерции тела. Фото Что такое момент силы момент инерции тела

4.4. Закон сохранения момента импульса.

Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть фото Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть картинку Что такое момент силы момент инерции тела. Картинка про Что такое момент силы момент инерции тела. Фото Что такое момент силы момент инерции тела

закон сохранения момента импульса.

Если момент внешних сил действующих на механическую систему относительно центра оси равен нулю, то момент импульса системы относительно этого центра с течением времени не изменяется.

Можно сказать, что момент силы при вращательном движении является аналогом силы при поступательном движении, момент импульса − аналогом импульса.

Законы изменения и сохранения момента импульса механической системы можно применить и к вращательному движению твердого тела.

4.5. Момент инерции.

Моментом инерции твердого тела относительно данной оси называется физическая величина, являющаяся мерой инертности тела во вращательном движении вокруг этой оси и равная сумме произведений масс всех частиц тела на квадраты их расстояний от той же оси:

Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть фото Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть картинку Что такое момент силы момент инерции тела. Картинка про Что такое момент силы момент инерции тела. Фото Что такое момент силы момент инерции тела

Понятие момента инерции было введено при рассмотрении вращения твердого тела. Однако следует иметь в виду, что каждое тело, независимо от того, вращается оно или покоится, обладает определенным моментом инерции относительно любой оси.

Если тело сплошное, то суммирование в выражении (4.5.1) следует заменить на интегрирование:

Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть фото Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть картинку Что такое момент силы момент инерции тела. Картинка про Что такое момент силы момент инерции тела. Фото Что такое момент силы момент инерции тела

где R − расстояние от элементарной массы dm до оси вращения.

4.6. Теорема Штейнера. Правило аддитивности

Существуют два свойства момента инерции:

1) Теорема Штейнера: момент инерции тела Iz относительно произвольной оси равен сумме момента инерции Ic относительно оси, параллельной данной и проходящей через центр масс тела, и произведения массы тела m на квадрат расстояния a между осями:

Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть фото Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть картинку Что такое момент силы момент инерции тела. Картинка про Что такое момент силы момент инерции тела. Фото Что такое момент силы момент инерции тела

2) Правило аддитивности: сумма моментов инерции частей системы относительно оси равен моменту инерции системы относительно данной оси:

Источник

ИНЕРЦИЯ И МОМЕНТ ИНЕРЦИИ: базовые сведения

История понятия «инерция»

До эпохи Возрождения, в Средние века, в западной философии общепринятой была аристотелевская теория движения. Ученик Платона, древнегреческий философ Аристотель (384 – 322 гг. до н. э.) утверждал, что в отсутствии внешней силы все объекты остановятся, и что движущиеся объекты продолжают двигаться только до тех пор, пока есть побуждающая к движению сила.

Принцип движения по инерции, который возник у Аристотеля для «движений в пустоте», гласил, что объект имеет тенденцию сопротивляться изменению движения.

Окончательно от аристотелевской теории отказались в ходе ряда открытий, предшествовавших научной революции XVII века.

Термин «инерция», от латинского слова «безделье» или «лень» (лат. inertia), был впервые использован немецким математиком и астрономом Иоганном Кеплером (1571 – 1630 гг.) в его книге «Epitome Astronomiae Copernicanae», которая была опубликована в трех частях в 1617–1621 гг. Но Кеплер определял инерцию только как сопротивление движению, основываясь на старом предположении, что покой – это естественной состояние вещей, которое не нужно объяснять и к которому стремятся тела.

Покой и движение объединил единым принципом современник Кеплера Галилео Галилей (1564 — 1642) — итальянский физик, механик, астроном, философ и математик. Он первый, кто направил зрительную трубу в небо, превратив её в телескоп. В 1609 году он создал свой первый телескоп с трёхкратным увеличением. Галилео Галилей писал, что «если устранить все внешние препятствия, то тяжелое тело на сферической поверхности, концентрической Земле, будет поддерживать себя в том состоянии, в котором оно находилось; если его поместить в движение к западу (например), то оно будет поддерживать себя в этом движении».

Чтобы оспорить идею Аристотеля о естественности состояния покоя, Галилей проводил один из таких мысленных экспериментов. Если исключить силу трения, то шар, катящийся по склону оврага (холма), взлетит до той же высоты на противоположной стороне. Если второй склон постепенно наклонять, шар будет катиться все дальше и дальше и в горизонтальном положении склона будет катиться бесконечно долго.

Галилей сделал вывод, что «Тело, движущееся по ровной поверхности, будет продолжать движение в том же направлении с постоянной скоростью, если движение не будет нарушено».

Позднее, мысли Галилея будут уточнены и систематизированы Исааком Ньютоном. Исаак Ньютон (1642 – 1727) — английский физик, математик, механик и астроном, основатель классической физики. В своем труде «Математические начала натуральной философии» (Philosophiae Naturalis Principia Mathematica), впервые опубликованном в 1687 году, он изложил закон всемирного тяготения и три закона динамики.

Явление инерции, изначально сформулированное Галилеем, вошло в первый закон Ньютона.

Оговоримся, что согласно определению, законы Ньютона справедливы только для систем отсчета (система отсчета – это тело отсчета со связанной с ним системой координат, относительно которого можно вычислять положение тел, и система измерения времени, т.е. некоторые часы), которые принято называть инерциальными. Инерциальная система отсчета – это такая система, в которой ускорение тел зависит только от приложенных сил, а не свойством самой системы отсчета (наблюдателя) перемещаться с ускорением.

Посмотрим на второй закон Ньютона.

Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть фото Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть картинку Что такое момент силы момент инерции тела. Картинка про Что такое момент силы момент инерции тела. Фото Что такое момент силы момент инерции тела

Чаще его записывают в виде:

Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть фото Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть картинку Что такое момент силы момент инерции тела. Картинка про Что такое момент силы момент инерции тела. Фото Что такое момент силы момент инерции тела

так как в инерциальной системе отсчета сила является причиной ускорения тела.

Как видно из второй формулы, для тела неизменной массы ускорение тела (скорость изменения его скорости) прямо пропорционально силе, приложенной к телу (чем сильнее толкаем, тем быстрее тело разгоняется) и обратно пропорционально его массе (чем тяжелее тело, тем сложнее его разгонять).

Представим, что тело движется в вакууме и на него не действуют никакие силы (F=0). Значит и скорость его меняться не будет (a=0).

Инерция (лат. inertia — покой, постоянство, неизменность) – природное явление сохранения равномерного прямолинейного движения или состояния покоя любого тела, пока на него не действуют внешние силы или если действие сил скомпенсировано.

Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть фото Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть картинку Что такое момент силы момент инерции тела. Картинка про Что такое момент силы момент инерции тела. Фото Что такое момент силы момент инерции тела

Инертность – свойство конкретного тела оставаться в покое или равномерно прямолинейно двигаться. От инертности зависит ускорение тела при приложении к нему внешних сил. Мерой количественного измерения инертности тела в прямолинейном движении является его масса. Больше масса – больше инертность тела, т.е. тем сложнее придать ему ускорение (разогнать или остановить).

Из-за большей чем у легковушки массы у грузовика инертность выше. Соответственно, и тормозной путь у него будет больше – нужно приложить большую силу, чтоб его остановить (хотя, можно поставить очень мощные тормоза). Говорить, что у грузовика больше инерция – некорректно.

Мерой инертности тела в прямолинейном движении выступает его масса. Больше масса – больше инертность тела.

Инерция, кинетическая энергия, работа

Приведем другой пример. Представь тяжелоатлета… Даже двух, которые решили поставить мировой рекорд и сдвинуть самолет. Им придется приложить немало сил, чтобы вначале разогнать самолет от нуля до некоторой скорости, а потом поддерживать эту скорость, преодолевая силу трения, направленную назад. Конечно, проще сдвинуть с места (преодолеть инерцию покоя) и разогнать до большой скорости тело меньшей массы, например, футбольный мяч. Инертность самолета во много раз больше инертности футбольного мяча.

А к какому трюку прибегает фокусник, чтобы в случае со скатертью все предметы остались на столе? Правильно, нужно выдернуть скатерть за наименьшее время. Чем меньше время, тем меньше энергии перейдет с силой трения на предметы и они просто не успеют разогнаться.

Энергия движущегося тела называется кинетической энергией и измеряется в Джоулях. Если тело неподвижно, кинетическая энергия равна нулю.

Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть фото Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть картинку Что такое момент силы момент инерции тела. Картинка про Что такое момент силы момент инерции тела. Фото Что такое момент силы момент инерции тела

Чтобы разогнать тело массой m до нужной скорости V из состояния покоя (например, самолет), нужно выполнить работу, равную кинетической энергии разогнанного тела (без учета разных потерь):

Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть фото Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть картинку Что такое момент силы момент инерции тела. Картинка про Что такое момент силы момент инерции тела. Фото Что такое момент силы момент инерции тела

Работа по изменению кинетической энергии тела совершается за счет приложения к нему некоторой силы – силы тяжести, силы трения, силы воздействия на него другого тела (тяжелоатлета-силача, дующего ветра, реактивной тяги ракетного двигателя и пр.).

Пусть силач разогнал до 0.1 м/с (10 сантиметров в секунду) легковую машину массой 1200 кг и самолет Ил-76 массой 88 500 кг в космосе (не будем учитывать силу трения). Тогда для преодоления инерции этих тел ему пришлось сжечь мышечной энергии на 6 Дж и 442,5 Дж соответсвенно. Т.е. на преодоление инерции покоя у самолета у спортсмена уйдет в 74 раза больше энергии, чем на автомобиль.

Чтобы остановить тело массой m, движущееся со скоростью V, нужно совершить обратную работу, равную отрицательному значению кинетической энергии этого тела:

Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть фото Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть картинку Что такое момент силы момент инерции тела. Картинка про Что такое момент силы момент инерции тела. Фото Что такое момент силы момент инерции тела

Т.е. чем больше скорость тела и его масса, тем больше энергии на преодоление инерции движения надо затратить.

Если выключить мотор, машина под действием силы трения ее движущихся частей друг о друга, силы трения о воздух корпуса и силы трения колес об асфальт остановится сама. Но остановить машину можно и быстрее, увеличив силу трения с помощью тормозных дисков, т.е. выжав педаль тормоза.

При равной скорости масса грузовика намного больше, а значит больше его кинетическая энергия. Двигаясь накатом грузовик остановится дальше, чем легковой автомобиль – его инертность выше. Кстати, можно ли остановить грузовик быстрее легкового автомобиля и при каких условиях?

Момент инерции

Инерция проявляется не только для прямолинейного движения, но и при вращении тел. В двигателе есть специальное устройство – маховик (на рисунке справа маховик покрашен темно-серым цветом и имеет зубчики). Инерция его вращения помогает работать двигателю нормально. Энергия расширяющихся газов при воспламенении топлива толкает поршень вниз, а затем ему нужно идти вверх, выталкивая продукты сгорания. Без маховика поршень не смог бы провернуть коленвал без рывков. Двигатель без маховика заглохнет.

Ну а со спинерами и волчками знакомы многие.

Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть фото Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть картинку Что такое момент силы момент инерции тела. Картинка про Что такое момент силы момент инерции тела. Фото Что такое момент силы момент инерции тела

Вот только в приведенных примерах форма тела не меняется. А изменится ли инертность тела при изменении его формы?

Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть фото Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть картинку Что такое момент силы момент инерции тела. Картинка про Что такое момент силы момент инерции тела. Фото Что такое момент силы момент инерции телаВращение на фигурном катании

Многие могут вспомнить фигурное катание. Масса тела фигуриста за выступление не меняется. Но его скорость вращения мгновенно увеличивается, стоит прижать руки и ноги, и вытянуться в струнку. Т.е. при уменьшении радиуса тела скорость вращения увеличивается. Т.е. инертность тела должна уменьшиться? Давайте разбираться.

Вернемся к формулам. Скорость вращающегося тела описывается как произведение угловой скорости (омега) на радиус:

Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть фото Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть картинку Что такое момент силы момент инерции тела. Картинка про Что такое момент силы момент инерции тела. Фото Что такое момент силы момент инерции телаСкорость вращающегося тела

При этом кинетическая энергия вращающегося тела примет вид:

Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть фото Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть картинку Что такое момент силы момент инерции тела. Картинка про Что такое момент силы момент инерции тела. Фото Что такое момент силы момент инерции тела

Синим цветом выделено произведение массы тела на радиус в квадрате. Эта величина называется моментом инерции вращающегося тела и обозначается латинской буквой I (и).

Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть фото Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть картинку Что такое момент силы момент инерции тела. Картинка про Что такое момент силы момент инерции тела. Фото Что такое момент силы момент инерции тела

Мерой инертности вращающего тела выступает момент инерции, который зависит от массы тела и расстояния этой массы от центра вращения.

Представим, что девочка не только вращает груз над собой, но и идет. Тогда полная кинетическая энергия девочки с грузом примет вид:

Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть фото Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть картинку Что такое момент силы момент инерции тела. Картинка про Что такое момент силы момент инерции тела. Фото Что такое момент силы момент инерции тела

Первая часть описывает кинетическую энергию двигающейся прямолинейно с некоторой скоростью девочки с грузом, а вторая – кинетическую энергию вращающегося груза. Полная кинетическая энергия — это сумма энергии прямолинейно движущегося тела и энергии вращающегося тела. Точно так же кинетическая энергия будет рассчитываться для движущегося по столу раскрученного волчка или съезжающего с наклонной плоскости цилиндра.

Так как вращающееся тело может иметь форму, отличную от точки или маленького шарика, то и формула момента инерции для более точных расчетов может принимать разный вид.

Пример.

Цилиндры одинаковой массы (m1 = m2), но разного радиуса (r1 Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть фото Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть картинку Что такое момент силы момент инерции тела. Картинка про Что такое момент силы момент инерции тела. Фото Что такое момент силы момент инерции телаЦилиндры одинаковой массы, но разного радиуса, скатываются с горки высотой h

В верхней точке кинетическая энергия обоих цилиндров будет равна нулю, так как скорость равна нулю. Потенциальная энергия будет одинаковой и максимальной.

При скатывании цилиндров по закону сохранения энергии потенциальная энергия переходит в кинетическую и в самой нижней точке будет равна нулю, так как высота равна нулю. А кинетическая энергия в нижней точке будет складываться из поступательной кинетической энергии и кинетической энергии вращающегося тела и у обоих тел также будет одинаковой, так как их потенциальные энергии были равны.

Но так как радиус первого тела меньше второго, то и момент инерции первого тела меньше второго и будет справедливо:

Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть фото Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть картинку Что такое момент силы момент инерции тела. Картинка про Что такое момент силы момент инерции тела. Фото Что такое момент силы момент инерции тела

Тогда для кинетической энергии поступательного движения будет справедливо отношение:

Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть фото Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть картинку Что такое момент силы момент инерции тела. Картинка про Что такое момент силы момент инерции тела. Фото Что такое момент силы момент инерции тела

Следовательно, скорость первого цилиндра должна быть выше скорости второго, и он скатится быстрее. Так как мерой инертности вращающегося тела является момент инерции, то первое тело с меньшим радиусом и меньшим моментом инерции будет обладать меньшей инертностью, чем второе. Разогнаться под действием каких-либо сил (силы тяжести) такому телу проще.

Вопросы

1. Посмотри на картинку с формулами для расчета момента инерции для тел разной формы. Как ты думаешь, какая формула лучше подходит для расчёта момента инерции маховика автомобиля. Варианты ответа: a, b, c, d, e, f, g, h, или i

Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть фото Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть картинку Что такое момент силы момент инерции тела. Картинка про Что такое момент силы момент инерции тела. Фото Что такое момент силы момент инерции телаМаховик автомобиля

2. Два волчка одинаковой массы раскрутили до одинаковой угловой скорости, но диаметр первого волчка меньше диаметра второго. Какой из них упадет раньше?

Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть фото Что такое момент силы момент инерции тела. Смотреть картинку Что такое момент силы момент инерции тела. Картинка про Что такое момент силы момент инерции тела. Фото Что такое момент силы момент инерции тела

3. На рисунке показаны три варианта конструкции. Какой вариант машинки имеет наименьшую инертность, а какой максимальную? Почему?

Источник

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *