矩形的惯性矩可以通过积分来求解。对于高为h,宽为b的矩形截面,一般将坐标轴原点取在截面几何中心,水平方向为y轴,竖直方向为z轴。绕z轴的惯性矩Iz和绕y轴的惯性矩Iy可以通过以下公式计算:
绕z轴的惯性矩 Iz
\[ Iz = \int y^2 \, dA \]
其中,dA是面积元素,对于矩形截面,可以表示为h \, dy。积分范围是从-b/2到b/2。被积函数y²的原函数是1/3hy³,因此:
\[ Iz = \int_{-b/2}^{b/2} y^2 \, h \, dy = h \int_{-b/2}^{b/2} y^2 \, dy = h \left[ \frac{y^3}{3} \right]_{-b/2}^{b/2} = h \left( \frac{b^3}{24} - \left( -\frac{b^3}{24} \right) \right) = \frac{hb^3}{12} \]
绕y轴的惯性矩 Iy
\[ Iy = \int x^2 \, dA \]
同样地,dA可以表示为b \, dx。积分范围是从-h/2到h/2。被积函数x²的原函数是1/3hx³,因此:
\[ Iy = \int_{-h/2}^{h/2} x^2 \, b \, dx = b \int_{-h/2}^{h/2} x^2 \, dx = b \left[ \frac{x^3}{3} \right]_{-h/2}^{h/2} = b \left( \frac{h^3}{24} - \left( -\frac{h^3}{24} \right) \right) = \frac{bh^3}{12} \]
因此,矩形的惯性矩为:
\[ I = Iz + Iy = \frac{hb^3}{12} + \frac{bh^3}{12} = \frac{2hb^3}{12} = \frac{bh^3}{6} \]
综上所述,矩形的惯性矩计算公式为:
\[ I = \frac{bh^3}{12} \]
这个公式适用于计算绕任意轴的惯性矩,只要将积分范围和被积函数相应调整即可。