1.2. Осевые моменты инерции Jx ; Jy

Осевой момент инерции равен сумме произведений элементарных площадок на квадрат расстояния до соответствующей оси.

(7)

(8)

Единица измерения [см⁴], [мм⁴].

Знак всегда «+».

Не бывает равным 0.

Свойство:Принимает минимальное значение, когда точка пересечения координатных осей совпадает с центром тяжести сечения.

Чем дальше площадь удалена от центральной оси, тем осевой момент инерции сечения больше. Жесткость конструкции повышается.

Осевой момент инерции сечения применяют при расчетах на прочность, жесткость и устойчивость.

1.3. Полярный момент инерции сечения Jρ

Рис. 3

(9)

Взаимосвязь полярного и осевого моментов инерции:

(10)

(11)

Полярный момент инерции сечения равен сумме осевых моментов.

Свойство:

при повороте осей в любую сторону, один из осевых моментов инерции возрастает, а другой убывает (и наоборот). Сумма осевых моментов инерции остается величиной постоянной.

1.4. Центробежный момент инерции сечения Jxy

Центробежный момент инерции сечения равен сумме произведений элементарных площадок на расстояния до обеих осей

(12)

Единица измерения [см⁴], [мм⁴].

Знак «+» или «-».

, если координатные оси являются осями симметрии (пример – двутавр, прямоугольник, круг), или одна из координатных осей совпадает с осью симметрии (пример – швеллер).

Таким образом для симметричных фигур центробежный момент инерции равен 0.

Координатные оси uиv, проходящие через центр тяжести сечения, относительно которых центробежный момент равен нулю, называютсяглавными центральными осями инерции сечения. Главными они называются потому, что центробежный момент относительно них равен нулю, а центральными – потому, что проходят через центр тяжести сечения.

У сечений, не обладающих симметрией относительно осей xилиy, например у уголка,не будет равен нулю. Для этих сечений определяют положение осейuиvс помощью вычисления угла поворота осейxиy

(13)

Центробежный момент относительно осей uиv-

Формула для определения осевых моментов инерции относительно главных центральных осей uиv:

(14)

где - осевые моменты инерции относительно центральных осей,

- центробежный момент инерции относительно центральных осей.

1.5. Момент инерции относительно оси, параллельной центральной (теорема Штейнера)

Теорема Штейнера:

Момент инерции относительно оси, параллельной центральной, равен центральному осевому моменту инерции плюс произведение площади всей фигуры на квадрат расстояния между осями.

(15)

Рис. 4

Доказательство теоремы Штейнера.

Согласно рис. 5 расстояние удо элементарной площадкиdF

Рис. 5

Подставляя значение ув формулу, получим:

Слагаемое , так как точка С является центром тяжести сечения (см. свойство статических моментов площади сечения относительно центральных осей).

Для прямоугольника высотой h и шириной b :

Осевой момент инерции:

Момент сопротивления изгибу:

момент сопротивления изгибу равен отношению момента инерции к расстоянию наиболее удаленного волокна от нейтральной линии:

т.к. , то

Для круга:

Полярный момент инерции:

Осевой момент инерции:

Момент сопротивления кручению:

Т.к. , то

Момент сопротивления изгибу:

Пример 2. Определить момент инерции прямоугольного сечения относительно центральной оси Сx.

Рис. 6

Решение. Разобьём площадь прямоугольника на элементарные прямоугольники с размерами b(ширина) иdy(высота). Тогда площадь такого прямоугольника (на рис. 6 заштрихована) равна dF=bdy. Вычислим значение осевого момента инерции J_x

По аналогии запишем

- осевой момент инерции сечения относительно центральной

оси у

Центробежный момент инерции

, так как оси Сxи Сyявляются осями симметрии.

Пример 3. Определить полярный момент инерции круглого сечения.

Рис. 7

Решение. Разобьём круг на бесконечно тонкие кольца толщиной радиусом, площадь такого кольца. Подставляя значениев выражение для полярного момента инерции интегрируя, получим

Учитывая равенство осевых моментов круглого сечения и

, получаем

Осевые моменты инерции для кольца равны

с – отношение диаметра выреза к наружному диаметру вала.

Лекция №2 «Главные оси иглавные моментыинерции

Рассмотрим, как изменяются моменты инерции при повороте координатных осей. Положим, даны моменты инерции некоторого сечения относительно осей 0х, 0у(не обязательно центральных)- ,- осевые моменты инерции сечения. Требуется определить,- осевые моменты относительно осейu,v, повёрнутых относительно первой системы на угол(рис. 8)

Рис. 8

Так как проекция ломаной линии ОАВС равна проекции замыкающей, находим:

(15)

Исключим uиvв выражениях моментов инерции:

Тогда

Откуда

(16)

(17)

(18)

Рассмотрим два первых уравнения. Складывая их почленно, получим

Таким образом, сумма осевых моментов инерции относительно двух взаимно перпендикулярных осей не зависит от угла и при повороте осей остается постоянной. Заметим при этом, что

Где - расстояние от начала координат до элементарной площадки (см. рис.5). Таким образом

Где - уже знакомый нам полярный момент инерции:

Определим осевой момент инерции круга относительно диаметра.

Так как в силу симметрии но, как известно,

Следовательно, для круга

С изменением угла поворота осей значения моментов именяются, но сумма остается неизменной. Следовательно существует такое значение, при котором один из моментов инерции достигает своего максимального значения, в то время как другой момент принимает минимальное значение. Дифференцируя выражениепо углуи приравнивая производную к нулю, находим

(19)

При этом значении угла один из осевых моментов будет наибольшим, а другой - наименьшим. Одновременно центробежный момент инерции обращается в нуль, что можно легко проверить, приравнивая к нулю формулу для центробежного момента инерции .

Оси, относительно которых центробежный момент инерции равен нулю, а осевые моменты принимают экстремальные значения, называются главнымиосями.Если они к тому же являются центральными (точка начала координат совпадает с центром тяжести сечения), то тогда они называютсяглавными центральными осями (u; v).Осевые моменты инерции относительно главных осей называютсяглавными моментами инерции -и

И их значение определяется по следующей формуле:

(20)

Знак плюс соответствует максимальному моменту инерции, знак минус - минимальному.

Существует ещё одна геометрическая характеристика – радиус инерциисечения.Эта величина часто используется в теоретических выводах и практических расчётах.

Радиусом инерции сечения относительно некоторой оси, например 0x,называется величина ,определяемая из равенства

(21)

F– площадь поперечного сечения,

- осевой момент инерции сечения,

Из определения следует, что радиус инерции равен расстоянию от оси 0хдо той точки, в которой следует сосредоточить (условно) площадь сеченияF, чтобы момент инерции одной этой точки был равен моменту инерции всего сечения. Зная момент инерции сечения и его площадь, можно найти радиус инерции относительно оси 0х :

(22)

Радиусы инерции, соответствующие главным осям, называютсяглавными радиусами инерциии определяются по формулам

(23)

Лекция 3. Кручение стержней круглого поперечного сечения.