Реферат на тему момент инерции кинетическая энергия вращения

Обновлено: 30.06.2024

Кинетическая энергия вращающегося тела равна сумме кинетических энергий всех частиц тела:

масса какой-либо частицы, ее линейная (окружная) скорость, пропорциональная расстоянию данной частицы от оси вращения. Подставляя в это выражение и вынося за знак суммы общую для всех частиц угловую скорость о, находим:

Эту формулу для кинетической энергии вращающегося тела можно привести к виду, аналогичному выражению кинетической энергии поступательного движения, если ввести величину так называемого момента инерции тела. Моментом инерции материальной точки называют произведение массы точки на квадрат расстояния ее от оси вращения. Момент инерции тела есть сумма моментов инерции всех материальных точек тела:

Итак, кинетическая энергия вращающегося тела определяется такой формулой:

Формула (2) отличается от формулы, определяющей кинетическую энергию тела при поступательном движении, тем, что вместо массы тела здесь входит момент инерции I и вместо скорости групповая скорость

Большой кинетической энергией вращающегося маховика пользуются в технике, чтобы сохранить равномерность хода машины при внезапно меняющейся нагрузке. Вначале, чтобы привести маховик с большим моментом инерции во вращение, от машины требуется затрата значительной работы, но зато при внезапном включении большой нагрузки машина не останавливается и производит работу за счет запаса кинетической энергии маховика.

Приведем (без выполнения вычислений) значения моментов инерции некоторых тел (предполагается, что каждое из этих тел имеет одинаковую во всех своих участках плотность).

Момент инерции тонкого кольца относительно оси, проходящей через его центр и перпендикулярной к его плоскости (рис. 55):

Момент инерции круглого диска (или цилиндра) относительно оси, проходящей через его центр и перпендикулярной к его плоскости (полярный момент инерции диска; рис. 56):

Момент инерции тонкого круглого диска относительно оси, совпадающей с его диаметром (экваториальный момент инерции диска; рис. 57):

Момент инерции шара относительно оси, проходящей через центр шара:

Момент инерции тонкого сферического слоя радиуса относительно оси, проходящей через центр:

Момент инерции толстого сферического слоя (полого шара, имеющего радиус внешней поверхности и радиус полости ) относительно оси, проходящей через центр:

Вычисление моментов инерции тел производится при помощи интегрального исчисления. Чтобы дать представление о ходе подобных расчетов, найдем момент инерции стержня относительно перпендикулярной к нему оси (рис. 58). Пусть есть сечение стержня, плотность. Выделим элементарно малую часть стержня, имеющую длину и находящуюся на расстоянии х от оси вращения. Тогда ее масса Так как она находится на расстоянии х от оси вращения, то ее момент инерции Интегрируем в пределах от нуля до I:

Момент инерции прямоугольного параллелепипеда относительно оси симметрии (рис. 59)

Момент инерции кольцевого тора (рис. 60)

Рассмотрим, как связана энергия вращения катящегося (без скольжения) по плоскости тела с энергией поступательного движения этого тела,

Энергия поступательного движения катящегося тела равна , где масса тела и скорость поступательного движения. Пусть означает угловую скорость вращения катящегося тела и радиус тела. Легко сообразить, что скорость поступательного движения тела, катящегося без скольжения, равна окружной скорости тела в точках соприкосновения тела с плоскостью (за время когда тело совершает один оборот, центр тяжести тела перемещается на расстояние следовательно,

Подставляя сюда указанные выше значения моментов инерции, находим, что:

а) энергия вращательного движения катящегося обруча равна энергии его поступательного движения;

б) энергия вращения катящегося однородного диска равна половине энергии поступательного движения;

в) энергия вращения катящегося однородного шара составляет энергии поступательного движения.

Зависимость момента инерции от положения оси вращения. Пусть стержень (рис. 61) с центром тяжести в точке С вращается с угловой скоростью (о вокруг оси О, перпендикулярной к плоскости чертежа. Положим, что в течение некоторого промежутка времени он переместился из положения А В в причем центр тяжести описал дугу Это перемещение стержня можно рассматривать так, как если бы стержень сначала поступательно (т. е. оставаясь себе параллельным) переместился в положение и затем повернулся вокруг С в положение Обозначим (расстояние центра тяжести от оси вращения) через а, а угол через При движении стержня из положения А В в положение перемещение каждой его частицы одинаково с перемещением центра тяжести, т. е. оно равно или Чтобы получить действительное движение стержня, мы можем предположить, что оба указанных движения совершаются одновременно. В соответствии с этим кинетическую энергию стержня, вращающегося с угловой скоростью вокруг оси, проходящей через О, можно разложить на две части.

Рис. 61. К выводу соотношения

Первая часть — это кинетическая энергия поступательного движения стержня; все точки стержня имеют при этом одну и ту же скорость; скорость одной точки стержня, а именно точки С, нам известна: она равна и, следовательно, эта часть кинетической энергии равняется где масса стержня. Вторая часть кинетической энергии — это кинетическая энергия вращательного движения стержня с угловой скоростью вокруг его центра тяжести С.

Она равна где момент инерции стержня относительно оси, проходящей через центр тяжести и параллельной оси, проходящей через О. Положим теперь, что I есть момент инерции стержня относительно оси, проходящей через рассматривая движение стержня как вращение вокруг оси О, мы можем утверждать, что кинетическая энергия стержня равна Следовательно,

Отсюда, сокращая все члены уравнения на находим:

Таким образом, момент инерции относительно любой оси вращения равен моменту инерции относительно параллельной оси, проходящей через центр тяжести, сложенному с произведением массы тела на квадрат расстояния центра тяжести тела от оси вращения.

Ниже перечислены характеристики и законы поступательного и вращательного движения, размещенные на соответствующих уровнях иерархии, построенной на основе физического смысла характеристик поступательного и вращательного движения. Таким образом, элементарная работа, совершаемая при вращении тела относительно неподвижной оси, равна произведению момента силы относительно оси вращения на элементарное… Читать ещё >

физика: механика
электричество и магнетизм

Кинетическая энергия вращающегося тела ( реферат , курсовая , диплом , контрольная )

Представим тело, вращающееся относительно оси z, как совокупность элементарных масс.

Скорость /-Й элементарной массы, находящейся на расстоянии /•, — от оси вращения v_i = cor,.

Её кинетическая энергия.

Кинетическая энергия тела равна сумме кинетических энергий элементарных масс:

где J— момент инерции тела; 0) — угловая скорость вращения тела.

Работа внешних сил при вращении тела вокруг неподвижной оси

Поскольку взаимное расположение частиц твёрдого тела при вращении не изменяется, элементарная работа внешних сил над телом будет равна приращению кинетической энергии этого тела:

или, Но clco = zdt, следовательно,.

Таким образом, элементарная работа, совершаемая при вращении тела относительно неподвижной оси, равна произведению момента силы относительно оси вращения на элементарное угловое перемещение ("https://referat.bookap.info", 13).

Работа на конечном угловом перемещении равна интегралу от эле;

ф ментарной работы, т. е. А = j М_zdq>.

Аналогия между характеристиками поступательного и вращательного движения

Характеристики вращательного и поступательного движения существенно отличаются друг от друга. Так, векторные характеристики поступательного движения являются истинными векторами, а вращательного — псевдовекторами (аксиальными векторами). Векторные характеристики одного и того же свойства материальной частицы направлены по-разному (например, v и со), они измеряются в разных единицах и т. д.

Тем не менее между характеристиками вращательного и поступательного движения существует прямая аналогия (сходство). Это сходство заключается в том, что характеристики поступательного и вращательного движения одного уровня иерархии имеют один и тот же физический смысл [1] .

Ежедневная рассылка с полезной информацией для студентов всех направлений – на нашем телеграм-канале.

Что такое инерция

Согласно определению инерция в физике – это способность тел сохранять состояние покоя или движения в отсутствие действия внешних сил.

Определение момента инерции

Из школьного курса известно, что масса – мера инертности тела. Если мы толкнем две тележки разной массы, то остановить сложнее будет ту, которая тяжелее. То есть чем больше масса, тем большее внешнее воздействие необходимо, чтобы изменить движение тела. Рассмотренное относится к поступательному движению, когда тележка из примера движется по прямой.

По аналогии с массой и поступательным движением момент инерции – это мера инертности тела при вращательном движении вокруг оси.

Момент инерции – скалярная физическая величина, мера инертности тела при вращении вокруг оси. Обозначается буквой J и в системе СИ измеряется в килограммах, умноженных на квадратный метр.

Как посчитать момент инерции? Есть общая формула, по которой в физике вычисляется момент инерции любого тела. Если тело разбить на бесконечно малые кусочки массой dm, то момент инерции будет равен сумме произведений этих элементарных масс на квадрат расстояния до оси вращения.

Это общая формула для момента инерции в физике. Для материальной точки массы m, вращающейся вокруг оси на расстоянии r от нее, данная формула принимает вид:

Теорема Штейнера

От чего зависит момент инерции? От массы, положения оси вращения, формы и размеров тела.

Теорема Гюйгенса-Штейнера – очень важная теорема, которую часто используют при решении задач.

Кстати! Для наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы

Теорема Гюйгенса-Штейнера гласит:

Момент инерции тела относительно произвольной оси равняется сумме момента инерции тела относительно оси, проходящей через центр масс параллельно произвольной оси и произведения массы тела на квадрат расстояния между осями.

Для тех, кто не хочет постоянно интегрировать при решении задач на нахождение момента инерции, приведем рисунок с указанием моментов инерции некоторых однородных тел, которые часто встречаются в задачах:

Пример решения задачи на нахождение момента инерции

Рассмотрим два примера. Первая задача – на нахождение момента инерции. Вторая задача – на использование теоремы Гюйгенса-Штейнера.

Задача 1. Найти момент инерции однородного диска массы m и радиуса R. Ось вращения проходит через центр диска.

Разобьем диск на бесконечно тонкие кольца, радиус которых меняется от 0 до R и рассмотрим одно такое кольцо. Пусть его радиус – r, а масса – dm. Тогда момент инерции кольца:

Массу кольца можно представить в виде:

Здесь dz – высота кольца. Подставим массу в формулу для момента инерции и проинтегрируем:

В итоге получилась формула для момента инерции абсолютного тонкого диска или цилиндра.

Задача 2. Пусть опять есть диск массы m и радиуса R. Теперь нужно найти момент инерции диска относительно оси, проходящей через середину одного из его радиусов.

Момент инерции диска относительно оси, проходящей через центр масс, известен из предыдущей задачи. Применим теорему Штейнера и найдем:

Кстати, в нашем блоге Вы можете найти и другие полезные материалы по физике и решению задач.

Надеемся, что Вы найдете в статье что-то полезное для себя. Если в процессе расчета тензора инерции возникают трудности, не забывайте о студенческом сервисе. Наши специалисты проконсультируют по любому вопросу и помогут решить задачу в считанные минуты.

ДИНАМИКА ВРАЩАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ.

§1 Момент инерции. Теорема Штейнера

Момент инерции материальной точки равен

Моментом инерции системы относительно оси вращения называется физическая величина, равная сумме произведения масс n материальных точек системы на квадраты их расстояний до рассматриваемой оси.

Момент инерции тела в случае непрерывного распределения массы равен

-интегрируется по всему объёму.

1. Найдем момент инерции однородного диска относительно оси, перпендикулярной к плоскости диска и проходящей через его центр. Разобьем диск на кольцевые слои толщиной dr. Все точки слоя будут находиться на одинаковом расстоянии от оси, равном r . Объем такого слоя равен

2. Полый тонкостенный цилиндр радиуса R (обруч, велосипедное колесо и тому подобное).

3. Сплошной цилиндр или диск радиуса R

4. Прямой тонкий длиной стержень, ось перпендикулярна стержню и проходит через его середину.

5. Шар радиуса R, относительно оси, проходящей через его центр.

Если известен момент инерции тела относительно оси, проходящей через его центр масс, момент инерции относительно любой другой оси параллельной данной, определяется с помощью теоремы Штейнера: момент инерции тела І относительно параллельной оси вращения равен моменту инерции І _с относительно параллельной оси, проходящей через центр масс С тела, сложенному с произведением массы m тела на квадрат расстояния а между осями

Например, для обруча на рисунке момент инерции относительно оси O ’ O ’, равен

6. Момент инерции прямого стержня длиной , ось перпендикулярна стержню и проходит через его конец.

§2 Кинетическая энергия вращения

Рассмотрим абсолютно твердое тело, вращающееся вокруг неподвижной оси Z , проходящей через него, с угловой скоростью ω . Так как тело является абсолютно твердым, следовательно, все точки тела будут вращатьсяс одинаковой угловой скоростью

Если разбить тело на малые объёмы с элементарными массами m ₁ , m ₂ … находящиеся на расстоянии r ₁ , r ₂ …, от оси вращения, то кинетическую энергию тела можно записать в виде

Изве стно, что или

Из сравнения W_k _{. вр.} с W_k _. поступательного движения ( ) следует, что момент инерции вращательного движения заменяет массу во вращательном движении и является мерой инертности тела.

Если тело участвует в поступательном и вращательном движении одновременно, то его кинетическая энергия

Например, цилиндр катиться без скольжения по плоскости.

§3 Момент силы.

Уравнение динамики вращательного движения твердого тела

Моментом силы относительно неподвижной точки O называется псевдовекторная величина равная векторному произведению радиус-вектора , проведенному из точки O в точку приложения силы, на силу

Модуль момента силы:

- псевдовектор, его направление совпадает с направлением плоскости движения правого винта при его вращении от к . Направление момента силы можно также определить по правилу левой руки: четыре пальца левой руки поставить по направлению первого сомножителя , второй сомножитель входит в ладонь, отогнутый под прямым углом большой палец укажет направления момента силы . Вектор момента силы всегда перпендикулярен плоскости, в котоой лежат векторы и .

-где кратчайшее расстояния между линией действия силы и точкой О называется плечом силы.

Моментом силы относительно неподвижной оси Z называется скалярная величина равнаяпроекции н а эту ось вектора момента силы , определённого относительно произвольной точки O данной оси Z . Если ось Z перпендикулярна плоскости, в которой лежат векторы и , т.е. совпадает с направлением вектора , то момент силы представляется в виде вектора совпадающего с осью.

Ось, положение которой в пространстве остается неизменнымпривращении вокруг тела в отсутствие внешних сил,называется свободной осью тела.

Для тела любой формы и с произвольным распределением массы существует 3 взаимно перпендикулярных, проходящих через центр инерции тела оси, которые могут служить свободными осями:они называются главными осями инерции тела.

Найдем выражение для работы при вращательном движении тела. Пусть на массу m твердого тела действует внешняя сила . Тогда работа этой силы за время dt равна

Осуществим в смешанном произведении векторов циклическую перестановку сомножителей, воспользовавшись правилом

Работа при вращении тела равна произведению момента действия силы на угол поворота . Работа при вращении тела идет на увеличение его кинетической энергии:

- уравнение динамики вращательного движения

Если ось вращения совпадает с главной осью инерции, проходящей через центр масс, то выполняется векторное равенство

І - главный момент инерции (момент инерции относительно главной оси)

§4 Момент импульса. Закон сохранения момента импульса

Моментом импульса материальной точки А относительно неподвижной точки О называется физическая величина, определяемая векторным произведением

;

Модуль момента импульса :

- радиус-вектор, проведённый из точки O в точку А, ? - плечо импульса (кратчайшее расстояние от точки О до линии действия импульса)

- импульс материальной точки.

- псевдовектор, его направление определяется по правилу левой руки.

Моментом импульса твердого тела относительно неподвижной оси Z называется скалярная величина равная проекции на эту ось вектора момента импульса, определенного относительно произвольной точки O данной оси. Значение момента импульса не зависит от положения точки O на оси Z .

Момент импульса твердого тела относительно оси есть сумма моментов импульса отдельных частиц: