垂直轴定理

✍ dations ◷ 2025-04-02 19:09:29 #刚体,经典力学,动力学

在物理学里,垂直轴定理(也叫“正交轴定理”)可以用来计算一片薄片的转动惯量。思考一个直角座标系,其中两个座标轴都包含与平行于此薄片;如果已知此薄片对于这两个座标轴的转动惯量,则垂直轴定则可以用来计算薄片对于第三个座标轴的转动惯量。

假设OXYZ座标系统的 X-轴与 Y-轴都包含与平行于此薄片,而 Z-轴垂直于薄片的面。 I X {\displaystyle I_{X}\,\!} I Y {\displaystyle I_{Y}\,\!} 分别代表薄片对于 X-轴与 Y-轴的转动惯量.那么,薄片对于 Z-轴的转动惯量为

垂直轴定理、平行轴定理、与伸展定则可以用来计算许多不同形状的物体的转动惯量。

任何实际存在的刚体都有厚度;不可能有零厚度的刚体。参考右图,假设这刚体是一块很薄的薄片,厚度 t {\displaystyle t\,\!} 是均匀的,密度也是均匀的。设定薄片的面与 XY-面共平面。那么,刚体对于 X-轴、Y-轴、与 Z-轴的转动惯量分别为

由于厚度超小于薄片的面尺寸,我们可以忽略 z 2 {\displaystyle z^{2}\,\!} 对于积分的贡献.因此,

所以,

a) 如右图,一个半径为 r {\displaystyle r\,\!} ,质量为 m {\displaystyle m\,\!} 的薄圆盘,对于 Z-轴的转动惯量为

所以,对于X-轴与 Y-轴的转动惯量是

b) 如右图,一个尺寸为 a × b {\displaystyle a\times b\,\!} ,质量为 m {\displaystyle m\,\!} 的长方形薄片,对于 X-轴、Y-轴、与 Z-轴的转动惯量分别为

很明显地,

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