Русская Википедия:Эллипсоид инерции

Материал из Онлайн справочника
Перейти к навигацииПерейти к поиску

Эллипсо́ид ине́рции (для точки O) — геометрическая фигура в виде поверхности второго порядка, которая характеризует тензор инерции твёрдого тела относительно точки O.

Тензор инерции и эллипсоид инерции

Основная статья: Тензор инерции

Момент инерции тела дается общей формулой:

<math>

I = \int \mathbf r_{\bot}^2 \,dm </math> Тензор инерции для твердого тела представляется в виде симметричной матрицы

<math>

\begin{pmatrix} I_{xx} & I_{xy} & I_{xz} \\ I_{yx} & I_{yy} & I_{yz} \\ I_{zx} & I_{zy} & I_{zz} \end{pmatrix} </math> в которой элементы являются моментами инерции относительно различных осей: Шаблон:Col-begin Шаблон:Col-2 <math>I_{xx} = \int (y^2 + z^2)\, dm</math>
<math>I_{yy} = \int (x^2 + z^2)\, dm</math>
<math>I_{zz} = \int (x^2 + y^2)\, dm</math> Шаблон:Col-2 <math>I_{xy} = I_{yx} = - \int xy\, dm</math>
<math>I_{xz} = I_{zx} = - \int xz\, dm</math>
<math>I_{yz} = I_{zy} = - \int yz\, dm</math> Шаблон:Col-end

Матрица тензора инерции может быть представлена в диагональном виде, и тогда диагональные элементы <math>I_{x}</math>, <math>I_{y}</math>, <math>I_{z}</math> будут главными моментами инерции тела. Уравнение эллипсоида инерции тогда запишется как:

<math>I_{x} x^2 + I_{y} y^2 + I_{z} z^2 = 1 </math>

При этом координатные оси эллипсоида должны совпадать с главными осями тела.

Знание эллипсоида инерции позволяет найти момент инерции тела относительно любой оси, если только она проходит через центр эллипсоида. Для этого вдоль выбранной оси проводится радиус-вектор до пересечения с эллипсоидом инерции. Момент инерции тела относительно этой оси даётся формулой:

<math>I = \frac{1}{r^2}</math>, где <math>r</math> — длина радиус-вектора.

Если момент внешних сил относительно неподвижной точки равен нулю, то говорят, что реализуется случай Эйлера движения твердого тела. Для такого случая Пуансо удалось получить наглядную геометрическую интерпретацию: эллипсоид инерции для неподвижной точки катится без скольжения по плоскости, неподвижной в пространстве; эта плоскость ортогональна вектору кинетического момента тела; угловая скорость тела пропорциональна длине радиус-вектора точки касания, а по направлению с ним совпадает.

Примеры эллипсоидов инерции

Элиипсоид инерции стержня
Элиипсоид инерции стержня
Эллипсоид инерции прямоугольного параллелепипеда
Эллипсоид инерции прямоугольного параллелепипеда

Прямоугольный параллелепипед

Пусть параллелепипед имеет размеры <math>a, b, c </math>. Главные моменты инерции:

<math>

I_x = \frac{m}{12} (b^2+c^2), \quad I_y=\frac{m}{12}(a^2+c^2), \quad I_z=\frac {m}{12} (a^2+b^2) </math> Примерный вид эллипсоида инерции представлен на иллюстрации.

Для расчета эллипсоида инерции бесконечно длинного тонкого стержня один из размеров считается много больше остальных, и эллипсоид вырождается в цилиндрическую поверхность. Шаблон:-

Литература

  1. Шаблон:Книга
  2. Шаблон:Книга
  3. Шаблон:Книга

Шаблон:Mech-stub