Ροπή αδράνειας. Μερικές λεπτομέρειες της μηχανικής του άκαμπτου σώματος

Ροπή αδράνειας. Μερικές λεπτομέρειες της μηχανικής του άκαμπτου σώματος
Ροπή αδράνειας. Μερικές λεπτομέρειες της μηχανικής του άκαμπτου σώματος
Anonim

Μία από τις βασικές φυσικές αρχές της αλληλεπίδρασης των στερεών σωμάτων είναι ο νόμος της αδράνειας, που διατυπώθηκε από τον μεγάλο Ισαάκ Νεύτωνα. Αυτή την έννοια την συναντάμε σχεδόν συνεχώς, αφού έχει εξαιρετικά μεγάλη επιρροή σε όλα τα υλικά αντικείμενα του κόσμου μας, συμπεριλαμβανομένων των ανθρώπων. Με τη σειρά του, ένα τέτοιο φυσικό μέγεθος όπως η ροπή αδράνειας είναι άρρηκτα συνδεδεμένο με τον νόμο που αναφέρθηκε παραπάνω, καθορίζοντας τη δύναμη και τη διάρκεια της πρόσκρουσής του στα στερεά σώματα.

Ροπή αδράνειας
Ροπή αδράνειας

Από τη σκοπιά της μηχανικής, κάθε υλικό αντικείμενο μπορεί να περιγραφεί ως ένα αμετάβλητο και σαφώς δομημένο (εξιδανικευμένο) σύστημα σημείων, οι αμοιβαίες αποστάσεις μεταξύ των οποίων δεν αλλάζουν ανάλογα με τη φύση της κίνησής τους. Αυτή η προσέγγιση καθιστά δυνατό τον ακριβή υπολογισμό της ροπής αδράνειας σχεδόν όλων των στερεών σωμάτων χρησιμοποιώντας ειδικούς τύπους. Μια άλλη ενδιαφέρουσα απόχρωση εδώ είναιτο γεγονός ότι κάθε πολύπλοκη κίνηση, με την πιο περίπλοκη τροχιά, μπορεί να αναπαρασταθεί ως ένα σύνολο απλών κινήσεων στο χώρο: περιστροφικές και μεταφορικές. Αυτό κάνει επίσης πολύ πιο εύκολη τη ζωή για τους φυσικούς κατά τον υπολογισμό αυτής της φυσικής ποσότητας.

Ροπή δακτυλίου αδράνειας
Ροπή δακτυλίου αδράνειας

Για να κατανοήσουμε ποια είναι η στιγμή αδράνειας και ποια είναι η επιρροή της στον κόσμο γύρω μας, είναι πιο εύκολο να χρησιμοποιήσουμε το παράδειγμα μιας απότομης αλλαγής στην ταχύτητα ενός επιβατικού οχήματος (φρενάρισμα). Σε αυτή την περίπτωση, τα πόδια ενός όρθιου επιβάτη θα παρασυρθούν από την τριβή στο πάτωμα. Ταυτόχρονα όμως δεν θα ασκηθεί καμία πρόσκρουση στον κορμό και στο κεφάλι, με αποτέλεσμα να συνεχίσουν να κινούνται με την ίδια καθορισμένη ταχύτητα για αρκετή ώρα. Ως αποτέλεσμα, ο επιβάτης θα γέρνει προς τα εμπρός ή θα πέσει. Με άλλα λόγια, η ροπή αδράνειας των ποδιών, που σβήνει από τη δύναμη της τριβής στο πάτωμα, θα είναι σημαντικά μικρότερη από τα υπόλοιπα σημεία του σώματος. Η αντίθετη εικόνα θα παρατηρηθεί με μια απότομη αύξηση της ταχύτητας ενός αυτοκινήτου λεωφορείου ή τραμ.

Η ροπή αδράνειας μπορεί να διατυπωθεί ως φυσική ποσότητα ίση με το άθροισμα των γινομένων των στοιχειωδών μαζών (αυτών των επιμέρους σημείων ενός στερεού σώματος) και το τετράγωνο της απόστασής τους από τον άξονα περιστροφής. Από αυτόν τον ορισμό προκύπτει ότι αυτό το χαρακτηριστικό είναι μια αθροιστική ποσότητα. Με απλά λόγια, η ροπή αδράνειας ενός υλικού σώματος είναι ίση με το άθροισμα των παρόμοιων δεικτών των μερών του: J=J1 + J2 + J 3 + …

Ροπή αδράνειας της μπάλας
Ροπή αδράνειας της μπάλας

Αυτός ο δείκτης για σώματα σύνθετης γεωμετρίας βρίσκεται πειραματικά. για λογαριασμόλαμβάνουν υπόψη πάρα πολλές διαφορετικές φυσικές παραμέτρους, συμπεριλαμβανομένης της πυκνότητας ενός αντικειμένου, η οποία μπορεί να είναι ανομοιογενής σε διαφορετικά σημεία, γεγονός που δημιουργεί τη λεγόμενη διαφορά μάζας σε διαφορετικά τμήματα του σώματος. Κατά συνέπεια, οι τυπικοί τύποι δεν είναι κατάλληλοι εδώ. Για παράδειγμα, η ροπή αδράνειας ενός δακτυλίου με συγκεκριμένη ακτίνα και ομοιόμορφη πυκνότητα, που έχει άξονα περιστροφής που διέρχεται από το κέντρο του, μπορεί να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας τον ακόλουθο τύπο: J=mR2. Αλλά με αυτόν τον τρόπο δεν θα είναι δυνατός ο υπολογισμός αυτής της τιμής για ένα τσέρκι, του οποίου όλα τα μέρη είναι κατασκευασμένα από διαφορετικά υλικά.

Και η ροπή αδράνειας μιας σφαίρας στερεάς και ομοιογενούς δομής μπορεί να υπολογιστεί με τον τύπο: J=2/5mR2. Κατά τον υπολογισμό αυτού του δείκτη για σώματα σε σχέση με δύο παράλληλους άξονες περιστροφής, εισάγεται μια πρόσθετη παράμετρος στον τύπο - η απόσταση μεταξύ των αξόνων, που συμβολίζεται με το γράμμα α. Ο δεύτερος άξονας περιστροφής συμβολίζεται με το γράμμα L. Για παράδειγμα, ο τύπος μπορεί να μοιάζει με αυτό: J=L + ma2.

Προσεκτικά πειράματα σχετικά με τη μελέτη της αδρανειακής κίνησης των σωμάτων και τη φύση της αλληλεπίδρασής τους έγιναν για πρώτη φορά από τον Galileo Galilei στις αρχές του δέκατου έκτου και του 17ου αιώνα. Επέτρεψαν στον μεγάλο επιστήμονα, που ήταν μπροστά από την εποχή του, να θεσπίσει τον βασικό νόμο για τη διατήρηση από τα φυσικά σώματα μιας κατάστασης ηρεμίας ή ευθύγραμμης κίνησης σε σχέση με τη Γη, απουσία άλλων σωμάτων που ενεργούν πάνω τους. Ο νόμος της αδράνειας έγινε το πρώτο βήμα για την καθιέρωση των βασικών φυσικών αρχών της μηχανικής, οι οποίες εκείνη την εποχή ήταν ακόμη εντελώς ασαφείς, ασαφείς και ασαφείς. Στη συνέχεια, ο Newton, διατυπώνοντας τους γενικούς νόμους της κίνησηςσώματα, μεταξύ των οποίων και ο νόμος της αδράνειας.

Συνιστάται: