Момент инерции

Материал из Юнциклопедии
(перенаправлено с «МОМЕНТ ИНЕРЦИИ»)
Перейти к: навигация, поиск

Кто из нас не следил с удивлением и восторгом за тем, как эффектно фигуристы заканчивают свои выступления на ледяной арене? Они начинают вращаться, зафиксировав центр вращения одним коньком и отталкиваясь другим, широко разведя руки в стороны, достигают достаточно большой угловой скорости вращения, а затем быстро прижимают руки к телу. После этого их угловая скорость вращения резко возрастает.

Момент инерции тела относительно некоторой оси вращения определяется суммой моментов инерции совокупности материальных точек.
Изменяя движением рук момент инерции тела, фигуристка управляет скоростью вращения.

В чем же тут дело? Почему, лишь прижав руки к телу и не прикладывая больше никаких усилий, фигуристу удается резко увеличить угловую скорость своего вращения? Не опровергается ли этим закон сохранения энергии? Конечно, нет. Объяснение описанного явления дает один из разделов ньютоновской механики — динамика твердого тела. Под твердым телом при этом понимается система частиц, взаимные расстояния между которыми не изменяются.

Оказывается, несмотря на сложность задачи о вращательном движении твердого тела, её можно свести к решению уравнений, по форме аналогичных уравнениям Ньютона для поступательного движения. Роль ускорения, силы и массы в этом случае играют угловое ускорение, момент силы и момент инерции. С этими важными понятиями можно познакомиться на простом примере движения одной материальной точки A массой m, которая удерживается на окружности радиуса r с помощью невесомого стержня. Пусть на точку $A$ действует постоянная сила $\overrightarrow{F}.$ Если в данный момент она составляет угол $α$ с радиус-вектором материальной точки $A,$ то её составляющая $F_r=F⋅\cos α$ просто сжимает стержень, а составляющая $F_t=F⋅\sin α$ приводит к появлению тангенциального ускорения $a_t,$ изменяющего величину скорости частицы. (Это ускорение направлено по касательной к траектории частицы. Его следует отличать от центростремительного ускорения, которое всегда направлено к центру вращения и меняет лишь направление вектора скорости частицы.)

Согласно второму закону Ньютона, для тангенциального ускорения можно записать:

$m⋅a_t=F_t=F⋅\sin α.$
(1)

По аналогии с угловой скоростью введем угловое ускорение $ε=\frac{a_t}{r}.$ Оно характеризует скорость изменения угловой скоростиω со временем. Тогда равенство (1) будет иметь вид:

$F⋅\sin α=m⋅r⋅\frac{a_t}{r}=m⋅r⋅ε.$
(2)

Умножив обе части этого уравнения на радиус, получим:

$F⋅r⋅\sin α=m⋅r^2⋅ε,$
(3)

или $M=J⋅ε.$

Величина $M=F⋅r⋅\sin α,$ численно равная произведению силы $F$ на длину перпендикуляра $d=r⋅\sin α,$ опущенного на направление силы из центра вращения (плечо силы), называется моментом силы относительно точки $O.$ Величину $J=m⋅r^2,$ равную произведению массы материальной точки $A$ на квадрат её расстояния до центра вращения, называют моментом инерции материальной точки относительно точки $O.$

В случае произвольного твердого тела момент инерции характеризуется распределением массы в этом теле и определяется суммой моментов инерции совокупности материальных точек, на которые можно разбить твердое тело:

$J=\sum\limits_{i=1}^{N}{\Delta {{m}_{i}}r_{i}^{2}},$
(4)

где $Δm_i$ — масса $i$‑й точки, $r_i$ — её расстояние до оси вращения.

Момент инерции служит мерой инертности тела при вращении и, таким образом, играет ту же роль, что и масса в случае поступательного движения. Однако в отличие от массы тела, которая при обычных условиях остается неизменной, момент инерции можно легко менять. Действительно, даже в рассмотренном выше простейшем случае материальной точки на стержне момент инерции зависел не только от величины массы, но и от того, как далеко она расположена от оси вращения. Поэтому, перемещая материальную точку по стержню от центра вращения, можно увеличивать инерцию вращения такой системы.

В зависимости от формы и выбранной оси вращения твердые тела одной и той же массы могут иметь различные моменты инерции. Так, момент инерции полого цилиндра радиуса $r$ относительно его оси симметрии равен $mr^2;$ однородного шара, вращающегося относительно оси, проходящей через его центр, — $\frac{2}{5}mr^2;$ однородного цилиндра, вращающегося относительно своей оси симметрии, — $\frac{1}{2}mr^2.$

И момент силы $\overrightarrow{M},$ и угловая скорость $\overrightarrow{ω},$ и угловое ускорение $\overrightarrow{ε}$ так же как и соответствующие им величины силы, скорости и ускорения при описании поступательного движения, являются векторами. Эти векторы направлены вдоль оси вращения (аксиальные векторы), причем их направление определяется по правилу буравчика, т. е. совпадает с направлением поступательного движения буравчика, рукоятка которого вращается в том же направлении, что и тело.

Можно ввести еще один важный вектор: $L=J⋅\overrightarrow{ω},$ называемый моментом количества движения. Являясь аналогом импульса для вращательного движения, он обладает замечательным свойством: момент количества движения замкнутой системы остается постоянным по величине и направлению. Изменяется он только под воздействием приложенных к рассматриваемой системе нескомпенсированных моментов внешних сил.

Вернемся снова к началу этой статьи, где рассказывалось о вращающемся фигуристе. Пренебрегая малыми моментами действующих на него сил сопротивления, можно считать, что он представляет собой замкнутую систему. Поэтому достигнутый им при начальном разгоне момент количества движения $J_1⋅\overrightarrow{ω_1}$ должен сохраняться ($ω_1$ — его начальная угловая скорость, $J_1$ — момент инерции в положении с разведенными руками). Прижимая руки к телу, фигурист, очевидно, уменьшает свой момент инерции до некоторой величины $J_2$ и тем самым увеличивает свою угловую скорость: $ω_2=\frac{J_1}{J_2}.$ Однако в этот момент ему приходится «поработать», так как начальная кинетическая энергия его вращения была $\frac{J_1⋅ω_1^2}{2},$ а конечная становится $\frac{J_2⋅ω_2^2}{2}.$ Разность этих энергий и составляет величину работы фигуриста.