background image

 

Prof. Edmund Wittbrodt 

Geometria mas 

Masowe momenty bezwładności  

Rozkład  masy  ciała  (układu  ciał)  względem  punktu  (bieguna),  osi  lub  płaszczyzny  charakteryzują  masowe  momenty 
bezwładności. 

Masowy moment bezwładności względem punktu, osi lub płaszczyzny jest sumą (całką) iloczynów mas przez kwadraty ich 
odległości od punktu, osi lub płaszczyzny. 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Odległości od punktu, osi i płaszczyzny: a) środka masy 

bryły o masie m

i

 i o skończonych wymiarach, b) masy 

elementarnej dm bryły o masie rozłożonej 

dm

 

b) 

ρ

ρ

ρ

r

 

z

x

 

y

 

m

a) 

ρ

zi 

ρ

yi 

ρ

xi 

r

z

x

y

C

background image

 

Prof. Edmund Wittbrodt 

Biegunowy moment bezwładności obliczamy z zależności 

 

2

1

=

=

n

O

i

i

i

J

r m

     lub     

( )

2

=

O

m

J

r dm

(4.51) 

 

 

natomiast osiowe momenty bezwładności: 

 

2

1

ρ

=

=

n

x

xi

i

i

J

m

    lub     

( )

2

ρ

=

x

x

m

J

dm

 

2

1

ρ

=

=

n

y

yi

i

i

J

m

   lub     

( )

2

ρ

=

y

y

m

J

dm

(4.52) 

 

2

1

ρ

=

=

n

z

zi

i

i

J

m

    lub     

( )

2

ρ

=

z

z

m

J

dm

 

 

zaś płaszczyznowe momenty bezwładności: 

 

2

1

=

=

n

xy

i

i

i

J

z m

    lub     

( )

2

=

xy

m

J

z dm

 

2

1

=

=

n

yz

i

i

i

J

x m

    lub     

( )

2

=

yz

m

J

x dm

(4.53) 

 

2

1

=

=

n

xz

i

i

i

J

y m

   lub     

( )

2

=

xz

m

J

y dm

background image

 

Prof. Edmund Wittbrodt 

Ponadto  rozkład  mas  charakteryzują  momenty  iloczynowe  zwane  momentami  dewiacyjnymi  lub  momentami  zboczenia
Określa się je z zależności: 
 

 

1

=

=

n

xy

i i

i

i

D

x y m

     lub     

( )

=

xy

m

D

xydm

 

1

=

=

n

yz

i i

i

i

D

y z m

     lub     

( )

=

yz

m

D

yzdm

(4.54) 

 

1

=

=

n

xz

i i

i

i

D

x z m

      lub     

( )

=

xz

m

D

xzdm

background image

 

Prof. Edmund Wittbrodt

Twierdzenie 1 

Masowy moment bezwładności względem osi równy jest sumie masowych momentów bezwładności względem dwóch 
wzajemnie prostopadłych płaszczyzn tworz
ących tę oś 

 

 

x

xy

xz

J

J

J

=

+

(4.55) 

 
Dowód: 

 

2

2

2

2

2

1

1

1

1

(

)

ρ

=

=

=

=

=

=

+

=

+

=

+

n

n

n

n

x

xi

i

i

i

i

i

i

i

i

xy

xz

i

i

i

i

J

m

z

y m

z m

y m

J

J

 

 

Twierdzenie 2 

Biegunowy,  masowy  moment  bezwładności  jest  równy  sumie  masowych  momentów  bezwładności  względem  trzech 
wzajemnie prostopadłych płaszczyzn przechodz
ących przez biegun 

 

O

xy

yz

xz

J

J

J

J

=

+

+

(4.56) 

 
Twierdzenie 
3 

Podwójny  biegunowy,  masowy  moment  bezwładności  bryły  jest  równy  sumie  masowych  momentów  bezwładności 
wzgl
ędem trzech, wzajemnie prostopadłych osi, przechodzących przez biegun 

 

2

O

x

y

z

J

J

J

J

=

+

+

(4.57) 

background image

 

Prof. Edmund Wittbrodt 

Masowe momenty bezwładności przy transformacji układu współrzędnych 

Translacja  układu.  Jeżeli  osie  układu  odniesienia  x,y,z  są  przesunięte  równolegle  względem  osi  x

1

,y

1

,z

1

  przechodzących 

przez środek masy bryły, wówczas słuszne są zależności: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Układ współrzędnych x, y, z  

i przesunięty równolegle względem niego układ współrzędnych x

1

, y

1

, z

1

 

 
 
 

2

x

xC

x

J

J

ma

=

+

 

2

y

yC

y

J

J

ma

=

+

(4.58) 

 

2

z

zC

z

J

J

ma

=

+

 
oraz: 
 

xy

xyC

C

C

D

D

mx y

=

+

 

yz

yzC

C C

D

D

my z

=

+

(4.59) 

 

zx

zxC

C C

D

D

mz x

=

+

dm

 

C(x

C

, y

C

, z

C

a

x

 

y

1 

z

1 

x

1 

x

a

z

 

y

a

z

y

1 

z

1 

x

1 

background image

 

Prof. Edmund Wittbrodt 

Twierdzenia Steinera

 
 
Twierdzenie 

Masowy moment bezwładności względem osi równoległej do osi przechodzącej przez środek masy bryły jest równy 
masowemu momentowi bezwładno
ści względem osi przechodzącej przez środek masy powiększonemu o iloczyn masy 
i kwadratu odległo
ści pomiędzy osiami. 

 

 

Twierdzenie 

Masowy, dewiacyjny moment bezwładności względem układu osi równoległych do osi przechodzących przez środek 
masy  bryły  jest  równy  masowemu,  dewiacyjnemu  momentowi  bezwładno
ści  względem  osi  przechodzących  przez 
środek masy powiększonemu o iloczyn masy przez odpowiednie odległości pomiędzy płaszczyznami. 

 

Dowód twierdzenia 1: 

 

( )

2

2

1

1

[(

)

(

) ]

x

C

C

m

J

y

y

z

z

dm

=

+

+

+

=

 

 

( )

( )

( )

( )

2

2

2

2

2

1

1

1

1

(

)

(

)

2

2

=

+

+

+

+

+

=

+

C

C

C

C

xC

x

m

m

m

m

y

z

dm

y

z

dm

y

y dm

z

z dm

J

ma

 
gdyż:  

( )

1

0

m

y dm

=

   oraz   

( )

1

0

m

z dm

=

, ze względu na to, że środek masy C ma w układzie x

1

,y

1

,z

współrzędne zerowe. 

background image

 

Prof. Edmund Wittbrodt

Rotacja  układu.  Moment  bezwładności  względem  dowolnej  prostej  u,  wychodzącej  z  bieguna  O,  gdy  dane  są  momenty 
bezwładności względem układu x,y,z, obliczamy 
 
 
 
 
 
 

Dowolna półprosta u określona za pomocą kątów 

α

x

α

y

α

z

 

 
 

 

cos

cos

cos

cos

cos

cos

T

x

xy

xz

x

x

u

y

xy

y

yz

y

z

xz

yz

z

z

J

D

D

J

D

J

D

D

D

J

α

α

α

α

α

α

=

⋅ −

 

 

 

(4.60) 

 
Korzystając z zależności (4.60) możemy obliczyć momenty bezwładności względem osi x

1

y

1

 układu płaskiego, obróconego 

względem osi x, y o kąt 

α

. Są one równe 

 

 

J

1

 = T

⋅⋅⋅⋅J

 

 

(4.61) 

gdzie:

1

1

1

1 1

col(

,  

,  

)

x

y

x y

J

J

D

=

J

,   

col(

,  

,  

)

x

y

xy

J

J

D

=

J

zaś  

2

2

2

2

cos

sin

sin 2

sin

cos

sin 2

sin

cos

sin

cos

cos 2

α

α

α

α

α

α

α

α

α

α

α

= 

T

 – macierz rotacji. 

Płaski układ współrzędnych x, y i obrócony względem niego układ współrzędnych x

1

, y

1

 

α

x

 

α

y

 

α

z

 

y

1 

α

 

dm 

x

1 

x

1 

y

1 

background image

 

Prof. Edmund Wittbrodt 

Główne i centralne masowe momenty bezwładności 

 
Dla określenia takiej prostej u, dla której masowy moment bezwładności J

u

 osiąga wartość ekstremalną oraz dla określenia 

tej wartości ekstremalnej należy obliczyć różniczkę dJ

u

 (względem: 

α

x

α

y

α

z

) i przyrównać ją do zera. Zatem 

 

cos

cos

cos

cos

cos

cos

u

x

x

xy

xz

x

u

u

xy

y

yz

y

y

xz

yz

z

z

u

z

J

J

J

D

D

J

dJ

D

J

J

D

D

D

J

J

J

α

α
α

α

α

α

=

= −

=

 

0

(4.62) 

gdzie  

J

 – wartość ekstremalna momentu bezwładności. 

 
 
Równanie  (4.62)  ma  rozwiązania  nietrywialne  wtedy  i  tylko  wtedy,  gdy  wyznacznik  z  macierzy  zawierającej  wartości 
momentów bezwładności jest równy zero, tj. 

 

det

(

)(

)(

)

x

xy

xz

xy

y

yz

x

y

z

xy

yz

xz

xz

xz

yz

xz

yz

z

J

J

D

D

D

J

J

D

J

J J

J J

J

D D D

D D D

D

D

J

J

=

 

2

2

2

(

)

(

)

(

)

0

y

xz

z

xy

x

yz

J

J D

J

J D

J

J D

=

(4.63) 

 
Z rozwiązania (4.63) otrzymamy trzy pierwiastki J

′, J″, J′′′, które są głównymi momentami bezwładności. Mają one wartości 

maksymalną, minimalną i pośrednią. Położenia prostych odpowiadającym momentom głównym obliczamy podstawiając do 
(4.62) kolejne wartości: J

′, J″ oraz J′′′, otrzymując:

,  

,  

x

y

z

α

α

α

,  

,  

x

y

z

α

α

α

′′

′′

′′

,  

,  

x

y

z

α

α

α

′′′

′′′

′′′

background image

 

Prof. Edmund Wittbrodt 

Jeżeli rozważany układ osi x, y, z ma swój początek w środku masy bryły, to momenty J

′, J″ oraz J′′′ nazywamy głównymi, 

centralnymi momentami bezwładności

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Główne, centralne momenty bezwładności 

 
 
Masowe  momenty  dewiacyjne  względem  osi,  dla  których  momenty  są  głównymi,  centralnymi  osiami  bezwładności  są 
równe zeru. 
 
Masowe  momenty  bezwładności  są  zawsze  większe  od  zera,  natomiast  masowe  momenty  dewiacyjne  mogą  być  zarówno 
dodatnie jak i ujemne. 

J’ 

J’’’ 

J’’

 

background image

 

Prof. Edmund Wittbrodt

 

 
 
 
 
 
 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

=

=

12

2

y

z

ml

I

I

 

=

x

I

0

m – masa pręta 

Masowe momenty bezwładności 

pręt cienki 


 


 

=

+

=

+

=

+

12

12

12

2

2

x

2

2

y

2

2

z

m

I

(a

c )

m

I

(b

c )

m

I

(a

b )

m – masa prostopadłościanu 

prostopadłościan 

=

=

=

2
5

2

x

y

z

I

I

I

mr

 

m – masa kuli 

 

kula 

=

2

2

x

mr

I

=

=

+

4

12

2

2

y

z

mr

mh

I

I

m – masa walca 

walec