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转动惯量怎么求?

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转动惯量(Moment of Inertia)是刚体绕轴转动时惯性的量度,通常用符号 $I$ 表示,其国际单位是千克·米²(kg·m²)。转动惯量的大小取决于刚体的质量分布和转轴的位置。以下是几种常见形状物体的转动惯量计算公式:

质点

若物体是一个质点,其质量为 $m$,则其转动惯量为 $I = mr^2$,其中 $r$ 是质点到转轴的垂直距离。

均匀圆环

若物体是一个均匀圆环,其质量为 $m$,半径为 $r$,厚度为 $l$,则其转动惯量为 $I = 0.5 \cdot m \cdot (πr^2l)^2$。

圆柱体

若物体是一个圆柱体,其质量为 $m$,底面半径为 $r$,高为 $h$,且转轴穿过圆柱体中心且与底面垂直,则其转动惯量为 $I = πar^2h$。

若考虑圆柱体与水平面的夹角 $\mu$,则转动惯量为 $I = πar^2mb^2 + μb^2I_{max}$,其中 $I_{max}$ 是圆柱体在最大扭矩作用下的转动惯量。

球体

若物体是一个球体,其质量为 $m$,半径为 $r$,则其转动惯量为 $I = \frac{2}{5}mr^2$。

杆形物体

若物体是一根杆,其质量为 $m$,长度为 $l$,当回转轴过杆的中点并垂直于轴时,其转动惯量为 $I = \frac{1}{3}ml^2$。

当回转轴过杆的端点并垂直于轴时,其转动惯量为 $I = \frac{1}{2}ml^2$。

板形物体

若物体是一块板,其质量为 $m$,长度为 $l$,宽度为 $w$,当回转轴过板的中心且垂直于板面时,其转动惯量为 $I = \frac{1}{12}ml^2$。

不规则形状物体

对于不规则形状的物体,可以通过将其划分为若干个小的质点或均匀形状的物体,然后分别计算它们的转动惯量,最后将各部分的转动惯量相加得到总转动惯量。公式为 $I = \int r^2dm = \int r^2ρdV$,其中 $mi$ 表示刚体的某个质元的质量,$ri$ 表示该质元到转轴的垂直距离,$ρ$ 表示该处的密度。

这些公式适用于理想化的物体和情况。在实际应用中,可能需要根据具体情况进行调整和修正。