Главные оси инерции и главные моменты инерции.

Рис.4.12

Изменение моментов инерции сечения при повороте осей координат.

Рис.4.11

 

Определим момент инерции сечения относительно оси х1:

 

Очевидно, что первый интеграл дает , второй - , т.к. исходная система координат - центральная, а третий - площадь сечения F. Таким образом,

. (4.18)

Аналогично,

, (4.19)

. (4.20)

Найдем зависимость между моментами инерции относительно осей х, у и моментами инерции относительно осей х1, у1, повернутых на угол a . Пусть Jx > Jy и положительный угол a отсчитывается от оси х против часовой стрелки. Пусть координаты точки М до поворота – x, y , после поворота – x1, y1 (рис. 4.12).

Из рисунка следует:

 

Теперь определим моменты инерции относительно осей х1 и у1:

 

или

. (4.21)

Аналогично:

. (4.22)

(4.23)

 

Сложив почленно уравнения (4.21), (4.22), получим:

 

т.е. сумма моментов инерции относительно любых взаимно перпендикулярных осей остается постоянной и не изменяется при повороте системы координат.

 

Пример 5. Найти моменты инерции прямоугольника (Рис.4.13) относительно осей и и центробежный момент его относительно тех же осей.

 

Рис.4.13. Пример расчета моментов инерции.

Центральные оси у и z как оси симметрии будут главными осями; моменты инерции сечения относительно этих осей равны:

 

Центральные моменты относительно повернутых осей и равны:

 

Центробежный момент инерции относительно осей и равен:

 

Координаты центра тяжести прямоугольника относительно осей и равны:

 

Моменты инерции относительно осей и равны:

 

Центробежный момент инерции равен:

 

С изменением угла поворота осей a каждая из величин и меняется, а сумма их остается неизменной. Следовательно, существует такое значение , при котором моменты инерции достигают экстремальных значений, т.е. один из моментов инерции достигает своего максимального значения, в то время другой момент инерции принимает минимальное значение. Для нахождения значения возьмем первую производную от (или ) и приравняем ее нулю:

,

или

,

откуда

. (4.24)

Покажем, что относительно полученных осей центробежный момент инерции равен нулю. Для этого приравняем правую часть уравнения (4.23) нулю:

,

откуда

,

т.е. получили ту же формулу для .

Оси, относительно которых центробежный момент инерции равен нулю, а осевые моменты инерции принимают экстремальные значения называются главными осями. Если эти оси являются также и центральными, то они называются главными центральными осями. Осевые моменты инерции относительно главных осей называются главными моментами инерции.

Обозначим главные оси через х0 и у0. Тогда

, , (4.25)

.

Если сечение имеет ось симметрии, то эта ось всегда является одной из главных центральных осей инерции сечения.

Главные моменты инерции Iu и Iv могут быть также определены по формулам:

(4.26)

(4.27)

 

При повороте осей координат удовлетворяется следующее равенство:

(4.28)

Моменты сопротивления относительно главных центральных осей u и v могут быть подсчитаны по формулам:

(4.29)

(4.30)

где umax, vmax - координаты точек сечения, наиболее удаленных от главных центральных осей u и v. Эти координаты можно вычислить, используя связь между координатами в повернутых на угол a0 осях по формулам:

(4.31)

(4.32)