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轉(zhuǎn)動慣量簡介

轉(zhuǎn)動慣量是剛體轉(zhuǎn)動時慣性的量度，其量值取決于物體的形狀、質(zhì)量分布及轉(zhuǎn)軸的位置。剛體的轉(zhuǎn)動慣量有著重要的物理意義，在科學(xué)實(shí)驗(yàn)、工程技術(shù)、航天、電力、機(jī)械、儀表等工業(yè)領(lǐng)域也是一個重要參量。電磁系儀表的指示系統(tǒng)，因線圈的轉(zhuǎn)動慣量不同，可分別用于測量微小電流(檢流計(jì))或電量(沖擊電流計(jì))。在發(fā)動機(jī)葉片、飛輪、陀螺以及人造衛(wèi)星的外形設(shè)計(jì)上，精確地測定轉(zhuǎn)動慣量，都是十分必要的。

對于質(zhì)量分布均勻，外形不復(fù)雜的物體可以從它的外形尺寸的質(zhì)量分布用公式計(jì)算出相對于某一確定轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量。對于幾何形狀簡單、質(zhì)量分布均勻的剛體可以直接用公式計(jì)算出它相對于某一確定轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量。而對于外形復(fù)雜和質(zhì)量分布不均勻的物體只能通過實(shí)驗(yàn)的方法來精確地測定物體的轉(zhuǎn)動慣量，因而實(shí)驗(yàn)方法就顯得更為重要。

剛體繞軸轉(zhuǎn)動慣性的度量。其數(shù)值為j=∑ mi*ri^2，式中mi表示剛體的某個質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量，ri表示該質(zhì)點(diǎn)到轉(zhuǎn)軸的垂直距離。

求和號(或積分號)遍及整個剛體。轉(zhuǎn)動慣量只決定于剛體的形狀、質(zhì)量分布和轉(zhuǎn)軸的位置，而同剛體繞軸的轉(zhuǎn)動狀態(tài)(如角速度的大小)無關(guān)。規(guī)則形狀的均質(zhì)剛體，其轉(zhuǎn)動慣量可直接計(jì)得。不規(guī)則剛體或非均質(zhì)剛體的轉(zhuǎn)動慣量，一般用實(shí)驗(yàn)法測定。轉(zhuǎn)動慣量應(yīng)用于剛體各種運(yùn)動的動力學(xué)計(jì)算中。

描述剛體繞互相平行諸轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量之間的關(guān)系，有如下的平行軸定：剛體對一軸的轉(zhuǎn)動慣量，等于該剛體對同此軸平行并通過質(zhì)心之軸的轉(zhuǎn)動慣量加上該剛體的質(zhì)量同兩軸間距離平方的乘積。由于和式的第二項(xiàng)恒大于零，因此剛體繞過質(zhì)量中心之軸的轉(zhuǎn)動慣量是繞該束平行軸諸轉(zhuǎn)動慣量中的最小者。

垂直軸定理

一個平面剛體薄板對于垂直它的平面的軸的轉(zhuǎn)動慣量，等于繞平面內(nèi)與垂直軸相交的任意兩正交軸的轉(zhuǎn)動慣量之和。

表達(dá)式:iz=ix+iy

剛體對一軸的轉(zhuǎn)動慣量，可折算成質(zhì)量等于剛體質(zhì)量的單個質(zhì)點(diǎn)對該軸所形成的轉(zhuǎn)動慣量。由此折算所得的質(zhì)點(diǎn)到轉(zhuǎn)軸的距離 ，稱為剛體繞該軸的回轉(zhuǎn)半徑κ，其公式為 i=mk^2，式中m為剛體質(zhì)量;i為轉(zhuǎn)動慣量。

轉(zhuǎn)動慣量的量綱為l^2m，在si單位制中，它的單位是kg·m^2。

剛體繞某一點(diǎn)轉(zhuǎn)動的慣性由更普遍的慣量張量描述。慣量張量是二階對稱張量，它完整地刻畫出剛體繞通過該點(diǎn)任一軸的轉(zhuǎn)動慣量的大小。

補(bǔ)充對轉(zhuǎn)動慣量的詳細(xì)解釋及其物理意義：

先說轉(zhuǎn)動慣量的由來，先從動能說起大家都知道動能e=(1/2)mv^2，而且動能的實(shí)際物理意義是：物體相對某個系統(tǒng)(選定一個參考系)運(yùn)動的實(shí)際能量，(p勢能實(shí)際意義則是物體相對某個系統(tǒng)運(yùn)動的可能轉(zhuǎn)化為運(yùn)動的實(shí)際能量的大小)。

e=(1/2)mv^2 (v^2為v的2次方)

把v=wr代入上式 (w是角速度,r是半徑，在這里對任何物體來說是把物體微分化分為無數(shù)個質(zhì)點(diǎn)，質(zhì)點(diǎn)與運(yùn)動整體的重心的距離為r,而再把不同質(zhì)點(diǎn)積分化得到實(shí)際等效的r)

得到e=(1/2)m(wr)^2

由于某一個對象物體在運(yùn)動當(dāng)中的本身屬性m和r都是不變的，所以把關(guān)于m、r的變量用一個變量k代替, 　k=mr^2

得到e=(1/2)kw^2 　k就是轉(zhuǎn)動慣量，分析實(shí)際情況中的作用相當(dāng)于牛頓運(yùn)動平動分析中的質(zhì)量的作用，都是一般不輕易變的量。

這樣分析一個轉(zhuǎn)動問題就可以用能量的角度分析了，而不必拘泥于只從純運(yùn)動角度分析轉(zhuǎn)動問題。

變換一下公式角度分析轉(zhuǎn)動

1、e=(1/2)kw^2本身代表研究對象的運(yùn)動能量

2、之所以用e=(1/2)mv^2不好分析轉(zhuǎn)動物體的問題，是因?yàn)槠渲胁话D(zhuǎn)動物體的任何轉(zhuǎn)動信息。

3、e=(1/2)mv^2除了不包含轉(zhuǎn)動信息，而且還不包含體現(xiàn)局部運(yùn)動的信息，因?yàn)槔锩娴乃俣葀只代表那個物體的質(zhì)心運(yùn)動情況。

4、e=(1/2)kw^2之所以利于分析，是因?yàn)榘艘粋€物體的所有轉(zhuǎn)動信息，因?yàn)檗D(zhuǎn)動慣量k=mr^2本身就是一種積分得到的數(shù)，更細(xì)一些講就是綜合了轉(zhuǎn)動物體的轉(zhuǎn)動不變的信息的等效結(jié)果k=∑ mr^2 (這里的k和上樓的j一樣)

所以，就是因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)了轉(zhuǎn)動慣量，從能量的角度分析轉(zhuǎn)動問題，就有了價(jià)值。

若剛體的質(zhì)量是連續(xù)分布的，則轉(zhuǎn)動慣量的計(jì)算公式可寫成k=∑ mr^2=∫r^2dm=∫r^2σdv

其中dv表示dm的體積元，σ表示該處的密度，r表示該體積元到轉(zhuǎn)軸的距離。

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（責(zé)任編輯：xy）

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