Moment setrvačnosti

Demonstrace zachování momentu hybnosti při změně momentu setrvačnosti

Moment setrvačnosti je skalární fyzikální veličina, která vyjadřuje míru setrvačnosti tělesa při otáčivém pohybu. Její velikost závisí na rozložení hmoty v tělese vzhledem k ose otáčení. Body (části) tělesa s větší hmotností a umístěné dál od osy mají větší moment setrvačnosti. Kvadratický moment průřezu se někdy také nazývá moment setrvačnosti a to i přesto, že není mírou setrvačnosti tělesa.

Značení

Symbol veličiny: J , někdy také I
Jednotka momentu setrvačnosti SI: kilogram krát metr na druhou, značka jednotky: kg·m². V případě, že se počítá Kvadratický moment průřezu, tak má jednotku m⁴.

Výpočet

Diskrétní rozložení hmoty

Při otáčivém pohybu soustavy hmotných bodů kolem nehybné osy opisují jednotlivé hmotné body kružnice, jejichž středy leží na ose otáčení. Úhlová rychlost $\omega$ všech bodů je stejná.

Celkovou kinetickou energii určíme jako součet kinetických energií všech $n$ hmotných bodů soustavy, tzn.

E_{k}=\sum _{i=1}^{n}{\frac {1}{2}}m_{i}v_{i}^{2}=\sum _{i=1}^{n}{\frac {1}{2}}m_{i}r_{i}^{2}\omega ^{2}

,

kde $m_{i}$ je hmotnost $i$ -tého hmotného bodu, $v_{i}$ je velikost jeho rychlosti, $r_{i}$ je jeho (kolmá) vzdálenost od osy otáčení a bylo využito toho, že rychlost bodu při kruhovém pohybu je přímo úměrná vzdálenosti bodu od osy otáčení, tzn. Nelze pochopit (SVG (MathML lze aktivovat pomocí doplňku prohlížeče): Neplatná odpověď („Math extension cannot connect to Restbase.“) od serveru „http://localhost:6011/cs.wikipedia.org/v1/“:): {\displaystyle v = \omega r} . Předchozí vztah lze upravit na tvar

E_{k}={\frac {1}{2}}\omega ^{2}\sum _{i=1}^{n}m_{i}r_{i}^{2}={\frac {1}{2}}J\omega ^{2}

,

kde veličina $J$ představuje moment setrvačnosti tělesa k ose otáčení. Moment setrvačnosti soustavy hmotných bodů je tak definován vztahem

J=m_{1}r_{1}^{2}+m_{2}r_{2}^{2}+\cdots +m_{n}r_{n}^{2}=\sum _{i=1}^{n}m_{i}r_{i}^{2}

Spojité rozložení hmoty

V mechanice kontinua (tedy v případě spojitě rozložené hmoty) lze k určení momentu setrvačnosti použít vztah

I=\int _{M}r^{2}\mathrm {d} m

,

kde integrace se provádí přes celé těleso o celkové hmotnosti $M$ .

Je-li $\rho$ hustota tělesa, pak $\mathrm {d} m=\rho \mathrm {d} V$ , kde $V$ je objem tělesa a moment setrvačnosti lze vyjádřit ve tvaru

I=\int _{V}r^{2}\rho \mathrm {d} V

Integruje se přes objem celého tělesa $V$ .

V případě, že je těleso homogenní, tzn. $\rho ={\mbox{konst.}}$ , je možné předchozí vztah zjednodušit

I=\rho \int _{V}r^{2}\mathrm {d} V

Poloměr setrvačnosti

Moment setrvačnosti je také možné zapsat jako součin celkové hmotnosti tělesa $M$ a čtverce jisté střední vzdálenosti $R$ , ve které by musela být soustředěna veškerá hmotnost tělesa, aby moment setrvačnosti byl roven momentu celého tělesa.

J=MR^{2}

Vzdálenost $R={\sqrt {\frac {J}{M}}}$ se nazývá poloměr setrvačnosti nebo gyrační poloměr.

Momenty setrvačnosti některých těles

Pro praktické použití je vhodná znalost některých často používaných momentů setrvačnosti.

Moment setrvačnosti tyče délky $l$ a hmotnosti $m$ vzhledem k ose procházející středem délky tyče, kolmo k její délce.

J={\frac {1}{12}}ml^{2}

Moment setrvačnosti tyče délky $l$ a hmotnosti $m$ vzhledem k ose procházející koncem tyče kolmo k její délce.

J={\frac {1}{3}}ml^{2}

Moment setrvačnosti koule o poloměru $r$ a hmotnosti $m$ vzhledem k ose procházející středem koule.

J={\frac {2}{5}}mr^{2}

Moment setrvačnosti plného válce o poloměru $r$ a hmotnosti $m$ vzhledem k ose souměrnosti.

J={\frac {1}{2}}mr^{2}

Moment setrvačnosti tlustostěnného pláště válce o vnitřním poloměru $r_{1}$ a vnějším poloměru $r_{2}$ a hmotnosti $m$ vzhledem k ose souměrnosti.

J={\frac {1}{2}}m\left(r_{2}^{2}+r_{1}^{2}\right)

Moment setrvačnosti tenké obruče o poloměru $r$ a hmotnosti $m$ vzhledem k ose souměrnosti.

J=mr^{2}

Moment setrvačnosti obdélníku o rozměrech $a$ a $b$ a hmotnosti $m$ vzhledem k normále od středu obdélníku.

J={\frac {1}{12}}m(a^{2}+b^{2})

Steinerova věta

Moment setrvačnosti vzhledem k ose procházející mimo těžiště tělesa lze určit podle Steinerovy věty jako součet momentu setrvačnosti vzhledem k rovnoběžné ose procházející těžištěm a součinu hmotnosti a čtverce vzdálenosti od těžiště, tzn.

J=J_{0}+mr_{T}^{2}

,

kde $J_{0}$ je moment setrvačnosti vzhledem k rovnoběžné ose jdoucí těžištěm tělesa, $m$ je hmotnost tělesa a $r_{T}$ je kolmá vzdálenost těžiště od osy otáčení.

Tenzor setrvačnosti

Otáčí-li se soustava hmotných bodů kolem libovolné osy $S$ úhlovou rychlostí $\mathbf {\omega }$ , má kinetická energie tohoto rotačního pohybu hodnotu

E_{k}={\frac {1}{2}}J_{S}\omega ^{2}={\frac {1}{2}}\sum _{i=1}^{n}m_{i}v_{i}^{2}={\frac {1}{2}}\sum _{i=1}^{n}m_{i}{|\mathbf {\omega } \times \mathbf {r} _{i}|}^{2}

,

kde $J_{S}$ je moment setrvačnosti tělesa vzhledem k ose $S$ , $v_{i}$ je rychlost $i$ -tého hmotného bodu soustavy, a $\mathbf {r} _{i}$ je polohový vektor $i$ -tého hmotného bodu vzhledem k počátku zvolené soustavy souřadnic, kterým prochází osa $S$ .

Vektor $\mathbf {\omega }$ , který směřuje podél osy $S$ lze vyjádřit prostřednictvím jeho složek $\omega _{x},\omega _{y},\omega _{z}$ vzhledem k souřadnicovým osám $x,y,z$ . Předchozí vztah je pak možno rozepsat do tvaru

E_{k}={\frac {1}{2}}\sum _{i=1}^{n}m_{i}\left[{\left(\omega _{y}z_{i}-\omega _{z}y_{i}\right)}^{2}+{\left(\omega _{z}x_{i}-\omega _{x}z_{i}\right)}^{2}+{\left(\omega _{x}y_{i}-\omega _{y}x_{i}\right)}^{2}\right]

a rozepíšeme-li v tomto výrazu jednotlivé mocniny, dostaneme po úpravě

2E_{k}=\omega _{x}^{2}\sum _{i=1}^{n}m_{i}\left(y_{i}^{2}+z_{i}^{2}\right)+\omega _{y}^{2}\sum _{i=1}^{n}m_{i}\left(z_{i}^{2}+x_{i}^{2}\right)+\omega _{z}^{2}\sum _{i=1}^{n}m_{i}\left(x_{i}^{2}+y_{i}^{2}\right)-2\omega _{x}\omega _{y}\sum _{i=1}^{n}m_{i}x_{i}y_{i}-2\omega _{y}\omega _{z}\sum _{i=1}^{n}m_{i}y_{i}z_{i}-2\omega _{z}\omega _{x}\sum _{i=1}^{n}m_{i}z_{i}x_{i}

Pro kinetickou energii pak dostáváme výraz

E_{k}={\frac {1}{2}}\omega _{x}^{2}J_{x}+{\frac {1}{2}}\omega _{y}^{2}J_{y}+{\frac {1}{2}}\omega _{z}^{2}J_{z}-\omega _{x}\omega _{y}D_{xy}-\omega _{y}\omega _{z}D_{yz}-\omega _{z}\omega _{x}D_{zx}

,

kde

J_{x}=\sum _{i=1}^{n}\left(y_{i}^{2}+z_{i}^{2}\right)m_{i}

J_{y}=\sum _{i=1}^{n}\left(z_{i}^{2}+x_{i}^{2}\right)m_{i}

J_{z}=\sum _{i=1}^{n}\left(x_{i}^{2}+y_{i}^{2}\right)m_{i}

jsou momenty setrvačnosti vzhledem k souřadnicovým osám $x,y,z$ a

D_{xy}=\sum _{i=1}^{n}x_{i}y_{i}m_{i}

D_{yz}=\sum _{i=1}^{n}y_{i}z_{i}m_{i}

D_{zx}=\sum _{i=1}^{n}z_{i}x_{i}m_{i}

jsou deviační momenty.

Předchozí vztahy platí pro těleso popsané soustavou hmotných bodů. Považujeme-li hmotu v tělese za spojitě rozloženou, přejdeme od sumace k integraci a pro momenty setrvačnosti k souřadnicovým osám dostaneme

J_{x}=\int _{M}(y^{2}+z^{2})\mathrm {d} m

J_{y}=\int _{M}(z^{2}+x^{2})\mathrm {d} m

J_{z}=\int _{M}(x^{2}+y^{2})\mathrm {d} m

Pro deviační momenty získáme podobně vztahy

D_{xy}=\int _{M}xy\mathrm {d} m

D_{yz}=\int _{M}yz\mathrm {d} m

D_{zx}=\int _{M}zx\mathrm {d} m

Vektor $\mathbf {\omega }$ , který leží v ose $S$ je možné využít k získání směrových kosinů rotační osy, tzn. $\cos \alpha ={\frac {\omega _{x}}{\omega }},\cos \beta ={\frac {\omega _{y}}{\omega }},\cos \gamma ={\frac {\omega _{z}}{\omega }}$ , kde $\omega$ je velikost vektoru $\mathbf {\omega }$ . Po dosazení do výrazů pro kinetickou energii a po úpravě dostaneme výraz pro výpočet momentu setrvačnosti $J_{S}$ vzhledem k ose, která svírá se souřadnicovými osami $x,y,z$ úhly $\alpha ,\beta ,\gamma$

J_{S}=J_{x}\cos ^{2}\alpha +J_{y}\cos ^{2}\beta +J_{z}\cos ^{2}\gamma -2D_{yz}\cos \beta \cos \gamma -2D_{zx}\cos \gamma \cos \alpha -2D_{xy}\cos \alpha \cos \beta

Změní-li se směr osy $S$ vzhledem k tělesu, změní se také velikost momentu setrvačnosti $J_{S}$ . Toto rozložení charakterizuje elipsoid setrvačnosti.

Momenty setrvačnosti k souřadnicovým osám a deviační momenty lze uspořádat do tzv. tenzoru setrvačnosti:

\mathbf {J} =\int {\left(\mathbf {E} r^{2}-r\otimes r\right)\,dm}=\int {\left[{\begin{matrix}y^{2}+z^{2}&-xy&-xz\\-xy&x^{2}+z^{2}&-yz\\-xz&-yz&x^{2}+y^{2}\end{matrix}}\right]dm}

,

kde symbol $\otimes$ představuje tenzorový součin, jehož výsledkem je symetrická čtvercová matice.

Kvadratický moment průřezu (tzv. plošný moment setrvačnosti)

Kvadratický moment průřezu resp. kvadratický moment plochy (nesprávně nazývaný jako plošný moment setrvačnosti, neboť tento se setrvačností těles nemá nic společného) se využívá velmi často v mechanice např. při výpočtu průhybů nosníků, napětí, ztrátě stability atp.

U kvadratického momentu průřezu se obvykle jedná o moment rovinné plochy. Pro výpočet můžeme použít vztahy pro výpočet momentu setrvačnosti k ose, přičemž položíme $z=0$ . Hmotnostní element $\mathrm {d} m$ je pak $\sigma \mathrm {d} S$ , kde $\sigma$ je plošná hustota zkoumané plochy (obecně závislá na $x$ a $y$ ).

Kvadratické momenty plochy k osám $x,y$ jsou tedy

J_{x}=\int _{S}y^{2}\sigma \mathrm {d} S

J_{y}=\int _{S}x^{2}\sigma \mathrm {d} S

Z deviačních momentů je nenulový pouze

D_{xy}=\int _{S}xy\sigma \mathrm {d} S

Pokud je plocha homogenní (plošná hustota je konstantní), můžeme ji vytknout před integrál a vztahy se zjednoduší na

J_{x}=\sigma \int _{S}y^{2}\mathrm {d} S

J_{y}=\sigma \int _{S}x^{2}\mathrm {d} S

D_{xy}=\sigma \int _{S}xy\mathrm {d} S

Namísto elipsoidu setrvačnosti dostáváme elipsu setrvačnosti.

Položíme-li do těžiště tělesa počátek pravoúhlé soustavy souřadnic, potom kvadratické momenty ke třem vzájemně kolmým rovinám, proloženým souřadnicovými osami, jsou

J_{xy}=\int _{M}z^{2}\mathrm {d} m

J_{yz}=\int _{M}x^{2}\mathrm {d} m

J_{zx}=\int _{M}y^{2}\mathrm {d} m

Srovnáním s momenty setrvačnosti k osám $x,y,z$ pak platí

J_{x}=J_{xy}+J_{zx}

J_{y}=J_{xy}+J_{yz}

J_{z}=J_{yz}+J_{zx}

Polární kvadratický moment plochy (plošný moment setrvačnosti)

Kvadratické momenty plochy můžeme určovat nejenom k ose, ale také k bodu, kdy se jedná o tzv. polární kvadratický moment.

Polární kvadratický moment části rovinné plochy (vzhledem k počátku souřadné soustavy $[0,0]$ ) je

J_{p}=J_{x}+J_{y}=\int _{S}(x^{2}+y^{2})\sigma \mathrm {d} S=\int _{S}r^{2}\sigma \mathrm {d} S

Odkazy

Literatura

Jozef Kvasnica, Antonín Havránek, Pavel Lukáč, Boris Sprušil Mechanika, Nakladatel: Academia, ISBN 80-200-1268-0, EAN 9788020012685, Rok vydání: 2004 (2. vydání)
Landau LD and Lifshitz EM (1976) Mechanics, 3rd. ed., Pergamon Press. ISBN 0-08-021022-8 (hardcover) and ISBN 0-08-029141-4 (softcover).
Goldstein H. (1980) Classical Mechanics, 2nd. ed., Addison-Wesley. ISBN 0-201-02918-9
Symon KR. (1971) Mechanics, 3rd. ed., Addison-Wesley. ISBN 0-201-07392-7
Online výpočet momentu setrvačnosti základních těles.

Související články

Externí odkazy

Obrázky, zvuky či videa k tématu moment setrvačnosti na Wikimedia Commons