ทฤษฎีบทของสไตเนอร์หรือทฤษฎีบทแกนคู่ขนานสำหรับคำนวณโมเมนต์ความเฉื่อย

สารบัญ:

ทฤษฎีบทของสไตเนอร์หรือทฤษฎีบทแกนคู่ขนานสำหรับคำนวณโมเมนต์ความเฉื่อย
ทฤษฎีบทของสไตเนอร์หรือทฤษฎีบทแกนคู่ขนานสำหรับคำนวณโมเมนต์ความเฉื่อย
Anonim

ในคำอธิบายทางคณิตศาสตร์ของการเคลื่อนที่แบบหมุน จำเป็นต้องทราบโมเมนต์ความเฉื่อยของระบบเกี่ยวกับแกน ในกรณีทั่วไป ขั้นตอนในการค้นหาปริมาณนี้เกี่ยวข้องกับการดำเนินการตามกระบวนการบูรณาการ ทฤษฎีบท Steiner ที่เรียกว่าทำให้การคำนวณง่ายขึ้น พิจารณารายละเอียดเพิ่มเติมในบทความครับ

โมเมนต์ความเฉื่อยคืออะไร

สมการการเคลื่อนที่ระหว่างการหมุน
สมการการเคลื่อนที่ระหว่างการหมุน

ก่อนที่จะสร้างสูตรของทฤษฎีบทของ Steiner จำเป็นต้องจัดการกับแนวคิดของโมเมนต์ความเฉื่อย สมมุติว่ามีมวลและรูปร่างตามอำเภอใจอยู่บ้าง วัตถุนี้อาจเป็นจุดวัสดุหรือวัตถุสองมิติหรือสามมิติก็ได้ (แท่ง ทรงกระบอก ลูกบอล ฯลฯ) หากวัตถุที่เป็นปัญหาเคลื่อนที่เป็นวงกลมรอบแกนบางอันด้วยความเร่งเชิงมุมคงที่ α ก็สามารถเขียนสมการต่อไปนี้ได้:

M=ฉันα

ในที่นี้ ค่า M แทนโมเมนต์ของแรงทั้งหมด ซึ่งให้ความเร่ง α แก่ทั้งระบบ สัมประสิทธิ์สัดส่วนระหว่างพวกเขา - I เรียกว่าโมเมนต์ความเฉื่อย ปริมาณทางกายภาพนี้คำนวณโดยใช้สูตรทั่วไปต่อไปนี้:

I=∫m (r2dm)

ที่นี่ r คือระยะห่างระหว่างองค์ประกอบที่มีมวล dm และแกนหมุน นิพจน์นี้หมายความว่าจำเป็นต้องหาผลรวมของระยะยกกำลังสอง r2 และมวลเบื้องต้น dm นั่นคือโมเมนต์ความเฉื่อยไม่ใช่ลักษณะเฉพาะของร่างกายซึ่งแตกต่างจากความเฉื่อยเชิงเส้น ขึ้นอยู่กับการกระจายมวลของวัตถุที่หมุนตลอดจนระยะห่างจากแกนและทิศทางของร่างกายที่สัมพันธ์กับวัตถุนั้น ตัวอย่างเช่น แท่งจะมีค่า I ต่างกัน หากหมุนรอบจุดศูนย์กลางมวลและรอบปลาย

โมเมนต์ความเฉื่อยและทฤษฎีบทของสทิเนอร์

ภาพเหมือนของจาค็อบ สไตเนอร์
ภาพเหมือนของจาค็อบ สไตเนอร์

Jakob Steiner นักคณิตศาสตร์ชาวสวิสผู้โด่งดัง ได้พิสูจน์ทฤษฎีบทบนแกนคู่ขนานและโมเมนต์ความเฉื่อย ซึ่งตอนนี้เป็นชื่อของเขาแล้ว ทฤษฎีบทนี้สันนิษฐานว่าโมเมนต์ความเฉื่อยสำหรับวัตถุแข็งเกร็งใดๆ ของเรขาคณิตตามอำเภอใจที่สัมพันธ์กับแกนหมุนบางอัน เท่ากับผลรวมของโมเมนต์ความเฉื่อยรอบแกนที่ตัดกับจุดศูนย์กลางมวลของวัตถุและขนานกับอันแรก และผลิตภัณฑ์มวลกายคูณกำลังสองของระยะห่างระหว่างแกนเหล่านี้ ในทางคณิตศาสตร์ สูตรนี้เขียนดังนี้:

IZ=IO + ml2

IZ and IO - โมเมนต์ความเฉื่อยเกี่ยวกับแกน Z และแกน O ขนานกันซึ่งผ่าน ผ่านจุดศูนย์กลางมวล l - ระยะห่างระหว่างเส้น Z และ O

ทฤษฎีบทอนุญาตให้รู้ค่าของ IO ในการคำนวณช่วงเวลาอื่นใด IZ เกี่ยวกับแกนที่ขนานกับ O

พิสูจน์ทฤษฎีบท

บทพิสูจน์ทฤษฎีบทของสทิเนอร์
บทพิสูจน์ทฤษฎีบทของสทิเนอร์

สูตรทฤษฎีบท Steiner หาได้ง่ายๆ ด้วยตัวเอง ในการทำเช่นนี้ ให้พิจารณาวัตถุบนระนาบ xy ให้จุดกำเนิดของพิกัดเคลื่อนผ่านจุดศูนย์กลางมวลของวัตถุนี้ มาคำนวณโมเมนต์ความเฉื่อย IO ที่ผ่านจุดกำเนิดตั้งฉากกับระนาบ xy เนื่องจากระยะทางถึงจุดใดๆ ของร่างกายแสดงโดยสูตร r=√ (x2 + y2) เราจึงได้อินทิกรัล:

IO=∫m (r2dm)=∫ m ((x2+y2) dm)

ตอนนี้ลองย้ายแกนขนานไปตามแกน x เป็นระยะทาง l เช่น ไปในทิศทางบวก จากนั้นการคำนวณแกนใหม่ของโมเมนต์ความเฉื่อยจะออกมาเป็นแบบนี้

IZ=∫m(((x+l)2+y 2)dm)

ขยายสี่เหลี่ยมเต็มในวงเล็บแล้วหารจำนวนเต็ม เราจะได้:

IZ=∫m ((x2+l 2+2xl+y2)dm)=∫m ((x2 +y2)dm) + 2l∫m (xdm) + l 2mdm

คำแรกของเทอมเหล่านี้คือค่า IO เทอมที่สามหลังจากการรวม ให้เทอม l2m และที่นี่เทอมที่สองเป็นศูนย์ การทำให้เป็นศูนย์ของอินทิกรัลที่ระบุนั้นเกิดจากการที่มันถูกนำมาจากผลคูณของ x และองค์ประกอบมวล dm ซึ่งในค่าเฉลี่ยให้ศูนย์เนื่องจากจุดศูนย์กลางมวลอยู่ที่จุดกำเนิด เป็นผลให้ได้สูตรของทฤษฎีบท Steiner

กรณีพิจารณาบนเครื่องบินสามารถสรุปเป็นร่างสามมิติได้

ตรวจสอบสูตร Steiner บนตัวอย่างแท่ง

การคำนวณโมเมนต์ความเฉื่อยของแท่งกราฟ
การคำนวณโมเมนต์ความเฉื่อยของแท่งกราฟ

มาดูตัวอย่างง่ายๆ เพื่อแสดงวิธีใช้ทฤษฎีบทข้างต้นกัน

เป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้วว่าสำหรับแท่งยาว L และมวล m โมเมนต์ความเฉื่อย IO(แกนผ่านจุดศูนย์กลางมวล) เท่ากับ m L2 /12 และช่วงเวลาที่ IZ(แกนเคลื่อนผ่านปลายก้าน) เท่ากับ mL 2/3. ลองตรวจสอบข้อมูลนี้โดยใช้ทฤษฎีบทของสไตเนอร์ เนื่องจากระยะห่างระหว่างสองเพลาคือ L/2 เราก็จะได้โมเมนต์ IZ:

IZ=IO+ m(L/2)2=mL2/12 + mL2/4=4mL2 /12=mL2/3

นั่นคือ เราตรวจสอบสูตร Steiner และได้ค่าเดียวกันสำหรับ IZ ตามแหล่งที่มา

การคำนวณที่คล้ายกันสามารถทำได้สำหรับวัตถุอื่นๆ (กระบอกสูบ ลูกบอล ดิสก์) ในขณะที่ได้รับช่วงเวลาที่จำเป็นของความเฉื่อย และไม่ต้องทำการบูรณาการ

โมเมนต์ความเฉื่อยและแกนตั้งฉาก

ทฤษฎีบทที่พิจารณาเกี่ยวกับแกนคู่ขนาน เพื่อความสมบูรณ์ของข้อมูล ควรให้ทฤษฎีบทสำหรับแกนตั้งฉากด้วย มีสูตรดังนี้ สำหรับวัตถุทรงแบนที่มีรูปร่างตามอำเภอใจ โมเมนต์ความเฉื่อยรอบแกนตั้งฉากกับวัตถุนั้นจะเท่ากับผลรวมของโมเมนต์ความเฉื่อยสองโมเมนต์ประมาณสองโมเมนต์ตั้งฉากกันและนอนราบในระนาบของวัตถุแกน โดยทั้งสามแกนผ่านจุดเดียวกัน ในทางคณิตศาสตร์ เขียนได้ดังนี้

Iz=Ix + Iy

ที่นี่ z, x, y คือแกนหมุนตั้งฉากกันสามแกน

ความแตกต่างที่สำคัญระหว่างทฤษฎีบทนี้กับทฤษฎีบทของ Steiner คือใช้ได้กับวัตถุแข็งทรงแบน (สองมิติ) เท่านั้น อย่างไรก็ตาม ในทางปฏิบัติ มีการใช้กันอย่างแพร่หลาย โดยตัดร่างกายออกเป็นชั้นๆ แยกกัน จากนั้นจึงเพิ่มโมเมนต์ความเฉื่อยที่ได้รับ