2013年3月29日 星期五

轉動慣量─圓盤、圓環及矩形


~有一段時間沒寫文章了,所以這次寫了一篇比較長的文章~

       轉動慣量,又稱做慣性矩,就是指物體「難以轉動」的程度。因此,轉動慣量越大,物體越難轉動;轉動慣量越小,物體就越易於轉動。質點繞著轉軸轉動的轉動慣量為:I=mr2 (m是質點的質量,r為質點離轉軸的距離)。那麼如果是一個物體的轉動慣量怎麼辦呢?因為剛剛那是某一個質點的轉動慣量,物體是由很多很多的質點所組成的。所以,我們就把物體分成很多很多很小很小的部分,把每一個部份的質量,乘以那一小塊距離轉軸的距離,就是一小塊的轉動慣量,最後把所有的轉動慣量加起來就是答案了。
      
       當然,各種物體的轉動慣量網路上、書上都能找到結果與推導過程。而且各種立體只要能寫出方程式,取出轉軸就有公式能求出轉動慣量了。不過這次完全是靠我自己思考了許久想到的方法,就還是寫一篇文章跟大家分享一下。

       首先,從均勻圓盤開始(轉軸通過圓心且垂直盤面):
       因為轉軸通過圓心,而且圓盤是一個「面」,所以各個地方距離圓心的距離就是距離轉軸的距離。而這個圓盤,想像把它切成很多同心圓,每一個同心圓上的點距離圓心都相等,所以只要把每個同心圓的質量,乘以他們各自的半徑平方,最後加起來就是答案了。




再來,推導均勻矩形的轉動慣量(轉軸在頂點,垂直平面,如圖所示)


這是一個x方向長ay方向長b的矩形,以某一頂點為轉軸,轉動的轉動慣量:
  
這次因為不像剛剛的圓形是很對稱的,所以這次就用雙重積分,取兩個積分,dxdy,目的是要能以x,y來表示任一點的質量及離原點的距離,並且能指出此矩形的範圍(x,y方向的上下界)



    























那最後,來推導均勻圓環的好了(也就是「扁甜甜圈形」,如圖所示)


















圓環的轉動慣量,有兩種方法可以求出來,第一種是用類似圓盤的積分法,但是上下限有改變;另一種是用大圓的轉動慣量減去小圓的轉動慣量。
法一:直接積分
就像是的一個例子作圓形轉動慣量的積分一樣,把圓環也分成很多同心圓,並且開始積分。






















法二:大小圓的轉動慣量相減






































這篇文章就先到這裡,不過……最近我對於推導各種幾何圖形、立體的轉動慣量有了些興趣,有想到新的在另外寫文章說明。謝謝~~

沒有留言:

張貼留言