Ciało sztywne traktujemy jako układ nieskończenie wielu punktów materialnych, których wzajemne odległości pozostają niezmienione w czasie ruchu. Moment bezwładności dla ciała sztywnego wyznaczymy wiec zastępując sumowanie we wzorze (5.23) całkowaniem po całej objętości ciała. Odpowiada to wykonaniu przejścia granicznego
(5.25) |
gdzie jest elementem masy ciała znajdującym się w odległości od osi obrotu. Element masy możemy z kolei wyrazić przez element objętości, jeśli tylko znamy gęstość ciała w danym jego miejscu pamiętając, że . Wzór na moment bezwładności ciała sztywnego możemy więc zapisać w postaci
(5.26) |
Kształt ciała można często przybliżać kształtem regularnych figur geometrycznych, co ułatwia wykonanie całkowania. Gęstość materii może być jednak różna w różnych jego punktach. Jeśli ciało ma kształt prostopadłościanu, to celowe jest wykonanie całkowania w układzie współrzędnych prostokątnych. W układzie tym element objętości możemy zapisać jako i wyrażenie na moment bezwładności względem osi pokrywającej się z osią Z ma postać
(5.27 |
gdzie jest gęstością ciała w punkcie o współrzędnych .
Jako przykład obliczymy moment bezwładności wydrążonego
walca o promieniu wewnętrznym
i zewnętrznym
względem osi pokrywającej się z osią symetrii i oznaczonej na rysunku
linią przerwaną. W tym przypadku celowe jest wykonanie całkowania w układzie
współrzędnych walcowych. Zakładamy, że gęstość materii jest
taka sama w całej objętości walca. Jako element objętości możemy
przyjąć elementarny walec o promieniugrubości
ścianki i
wysokości .
Jego objętość wynosi .
Rys. 5.5 Wyznaczenie momentu bezwładności walca wydrążonego |
(5.28) |
Skorzystaliśmy tu ze wzoru na różnicę kwadratów, wzoru na objętość walca oraz faktu, że iloczyn , to masa walca, którą oznaczyliśmy przez .
Rozpatrzmy dwa przypadki szczególne.
Kiedy promień wewnętrzny walca będzie równy zeru otrzymamy walec pełny. Otrzymujemy wzór na moment bezwładności pełnego walca względem osi przechodzącej przez środek walca wzdłuż jego wysokości:
|
(5.28a) |
Kiedy promień wewnętrzny stanie się bliski promieniowi zewnętrznemu mamy do czynienia z cienkościennym walcem, pierścieniem lub rurą. Otrzymujemy wtedy przybliżony wzór na moment bezwładności cienkościennego walca.
|
(5.28b) |
Zwróćmy uwagę, że jeśli masa w obu przypadkach jest taka sama, to moment bezwładności walca cienkiego jest dwukrotnie większy niż walca pełnego. Ma to wielorakie konsekwencje wykorzystywane w technice, o czym jeszcze powiemy w dalszej części tej lekcji. W podobny sposób można obliczyć momenty bezwładności dla innych kształtów ciał sztywnych.
Jeśli jednak oś obrotu usytuowana jest inaczej, wtedy i moment bezwładności będzie inny. W takich przypadkach całkowanie bywa bardziej skomplikowane. Można jednak pokazać, że jeśli znany jest moment bezwładności względem osi przechodzącej przez środek masy ciała, to moment bezwładności względem osi do niej równoległej i przesuniętej o odcinek dany jest wzorem
(5.29) |
Wzór ten nosi nazwę twierdzenia Steinera.