Лекции по механике (стр. 8 из 9)

r_i( m_i a_i )_t= r_i(

r_i(f_i1)_t + r_i(f_i2)_t + ..... +r_i(f_iN)_t + r_i(F_i)_t . ( 4-4a )

В правой части получившегося уравнения произведения типа r_i(f_i1)_t представляют собой (согласно ( 4-3)) моменты внутренних сил относительно оси вращения, т.к. r_i и (f _i)_t взаимно перпендикулярны. Аналогично произведения r_i(F_i)_t являются моментами внешних сил, действующих на i-элемент. Просуммируем уравнения дви-

1 O1 (f12) f12 r1 g l12 f21l21 (f21) b . 2 r2 O2Рис.14. Компенсация моментов внут- ренних сил .

жения по всем элементам, на которые было разбито тело. Сумму моментов внутренних сил можно разбить по парам слагаемых, обязанных своим возникновением взаимодействию двух элементов тела между собой. На рис.14 пред- ставлена пара, состоящая из 1-го и 2-го элементов. Проводя плоскость через линию, соединяющую эти элементы, параллельно оси вращения О1О2, нетрудно заметить, что моменты сил взаимодействия этих элементов равны по величине и противоположно направлены, т.е. они компенсируют друг друга. Действительно, силы f12 и f21 равны между собой; равны и их составляющие (f12) = (f21) . Кроме того равны и их плечи [8]( l12= l21 ), т. к. каждое из них перпендикулярно проведенной плоскости. Поэтому момен-

ты сил М₁ = ( f₁₂) r₁sin(90⁰ - g) = (f₁₂) l₁₂ и M₂ = (f₂₁) r₂ sin(90⁰ - b) = (f₂₁) l₂₁ равны и противоположно направлены. На основании этого можно сделать вывод, что при сложении всех моментов внутренних сил они попарно уничтожатся. Суммарный момент всех внешних сил обозначим S М_i , где M_i = [ r_i F_i].

Левая часть уравнения ( 4-4а ) с учетом (3 -7) представится в таком виде:

=

= , ( 4-5 )

где величину

принято называть моментом инерции твердого тела относительно заданной оси. Эта величина характеризует распределение массы тела относительно определенной оси. Как следует из определения момента инерции - это величина аддитивная. Момент инерции тела складывается из моментов инерции его отдельных элементов, которые можно рассматривать как материальные точки, т.е.

I =

, где j_i = m_i - момент инерции материальной точки.

При практическом вычислении моментов инерции вместо суммирования используется интегрирование ( суммирование бесконечно малых величин). Если ось, относительно которой вычисляется момент инерции, проходит через центр симметрии тела, то вычисление такого интеграла представляет сравнительно несложную задачу, но в общем случае задачу решить трудно. Для упрощения вычислений полезной оказывается теорема о параллельном переносе осей инерции (теорема Гюйгенса - Штейнера), формулировка которой гласит, что момент инерции относительно любой оси равен сумме момента инерции относительно параллельной оси, проходящей через центр масс, и произведения массы тела на квадрат расстояния между осями, т.е.

I_произ = I_цм + m d ² . ( 4-6)

Для некоторых тел правильной формы значение моментов инерции относительно осей, проходящих через центр их симметрии приведены в таблице 2.

Таблица 2.

Форма тела Расположение Величина оси момента инерции Обруч m R2 Цилиндр Шар Примечание: m- масса тела, R - его радиус

На основании изложенного уравне-ние (4-4а) с учетом (4-5) приводится к виду: , ( 4-7 ) которое называется уравнением динамики вращательного движения твердого тела или уравнением моментов. Дело в том, что левую часть этого уравнения можно представить по другому, т.к. по аналогии с правой частью величину [riaimi]=[ =

называют изменением момента импульса (радиус r_i внесен под знак дифференцирования, т.к. все точки вращаются по окружностям постоянного радиуса ) . Если