平行軸定理
編輯平行軸定理,也稱為惠更斯-斯坦納定理,或簡稱為斯坦納定理,以克里斯蒂安·惠更斯和雅各布·斯坦納命名,可用于確定剛體的慣性矩或面積二次矩 任何軸,給定身體關于通過物體重心的平行軸的慣性矩和軸之間的垂直距離。
轉動慣量
編輯假設質量為 m 的物體繞通過物體質心的軸 z 旋轉。 物體相對于該軸具有慣性矩 Icm。 平行軸定理指出,如果使物體繞新軸 z′ 旋轉,該新軸平行于xxx軸并從xxx軸偏移距離 d,則相對于新軸的慣性矩 I 為 與 Icm 有關
I = I c m + m d 2 。 {\displaystyle I=I_{\mathrm {cm} }+md{2}.}
明確地,d 是軸 z 和 z' 之間的垂直距離。
平行軸定理可以與拉伸規則和垂直軸定理一起應用,以求出各種形狀的慣性矩。
推導
我們可以假設,在不失一般性的情況下,在笛卡爾坐標系中,軸之間的垂直距離位于 x 軸上,并且質心位于原點。
xxx項是 Icm,第二項是 mD2。 最后一項中的積分是質心 x 坐標的倍數——由于質心位于原點,因此為零。
張量泛化
編輯平行軸定理可以推廣到涉及慣性張量的計算。 令 Iij 表示在質心處計算的物體慣性張量。 那么相對于新點計算的慣性張量
其中 R = R 1 x ^ + R 2 y ^ + R 3 z ^ {\displaystyle \mathbf {R} =R_{1}\mathbf {\hat {x}} +R_{2}\ mathbf {\hat {y}} +R_{3}\mathbf {\hat {z}} \!} 是從質心到新點的位移矢量,δij 是 Kronecker delta。
對于對角元素(當 i = j 時),垂直于旋轉軸的位移導致上述平行軸定理的簡化版本。
平行軸定理的廣義版本可以用無坐標符號的形式
其中 E3 是 3 × 3 單位矩陣,? {\displaystyle \otimes } 是外積。
平行軸定理的進一步推廣給出了關于平行于軸 x、y 和 z 的參考集的任何一組正交軸的慣性張量,與參考慣性張量相關聯,無論它們是否通過質心。
面積二階矩
編輯平行軸規則也適用于平面區域 D 的二次面積矩(面積慣性矩)
其中Iz是D相對于平行軸的面積慣性矩,Ix是D相對于其質心的面積慣性矩,A是平面區域D的面積,r是到新軸z的距離 到平面區域D的質心。D的質心與具有相同形狀且密度均勻的物理板的重心重合。
平面動力學的極慣性矩
編輯被約束平行于平面移動的剛體的質量屬性由其在該平面中的質心 R = (x, y) 及其圍繞通過 R 的軸的極慣性矩 IR 定義,該軸垂直于 飛機。 平行軸定理提供了關于任意點 S 的慣性矩 IS 和關于質心 R 的慣性矩 IR 之間的方便關系。
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