14. Динамика твёрдого тела.

Абсолютно твердым телом называют абсолютно неизменяемую сис­тему точек, отдельных частиц тела, поэтому к абсолютно твердому телу можно применить уже описанные законы динамики системы точек при условии ее неизменяемости.

1. Момент инерции твёрдого тела.

Для описания вращательного движения тела существенно значение его момента инерции. По определению момент инерции твердого тела равен сумме моментов инерции отдельных его частиц:

где - масса -й частицы тела, - ее расстояние от заданного центра или оси.

Предположим, что масса выделенной частицы тела , расстояние от нее до начала координат (т. о) , а координаты, соответственно, (рис. 58).

Момент инерции относительно т. О по определению равен

(250)

(рис. 58)

а относительно координатных осей:

(251)

(252)

(253)

Сравнивая (230), (231), (232) и (233), получим связь момен­та инерции тела относительно начала координат с моментами инерции относительно координатных осей:

(254)

Если одним из размеров тела можно пренебречь по сравнению с двумя другими (плоское тело), эта связь запишется в виде

(255)

2. Примеры расчёта сил инерции.

1. Момент инерции тонкого стержня относительно оси, перпендикулярной стержню и проходящий через его центр масс.

(рис. 59)

Если стержень имеет массу и длину , а ось проходит через центр масс стержня (рис. 59), то коор­динаты левого и правого концов стерж­ня равны - и . Выделим в стержне на расстоянии от оси малый его участок длины . Его мо­мент инерции относительно равен:

(256)

Интегрируя (236), получим:

(257)

2. Момент инерции тонкой пластины прямоугольной формы относительно одной из её сторон.

(рис. 60)

Размеры тонкой пластины массы приведены на рис. 60, выделим в пластине на расстоянии от оси узкий слой ширины и запишем его момент инер­ции:

(258)

Интегрируя (258), получаем:

(259)

2. Момент инерции однородного шара относительно его центра.

Пусть масса шара равна , а радиус . Выделим в шаре тонкий сферический слой радиуса , толщины , момент инерции которого относительно центра шара равен

(260)

где:

Интегрируя (260), получим искомый результат:

(261)

2. Теорема Штейнера.

Расчет моментов инерции тела даже правильной формы, если ось не проходит через центр масс тела, затруднен. В этом случае удобно пользоваться теоремой Штейнера:

Момент инерции тела относительно произвольной оси равен сумме момента инерции относительно оси , параллельной заданной и проходящей через центр масс, и произведения массы тела на квадрат расстояния между осями:

Для доказательства через центр масс тела (т. С) проведем ось , параллельную заданной оси (рис. 61). Расстояние между осями равно . Выберем частицу тела массы , настояние от нее до осей и указаны на рисунке.

Момент инерции тела относительно по определению:

(262)

Из геометрических соображений:

Первое слагаемое в правой части дает момент инерции тела относительно :

(263)

Поскольку a=const, второе слагаемое принимает вид (Ma²), где М - масса тела.

В последнем слагаемом:

следовательно, по определению центра масс:

последнее слагаемое обращается в нуль, поэтому:

что и требовалось доказать.