Momento de inercia | |
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Dimensión | L 2 M |
Unidades | |
SI | kg m² _ _ |
SGA | g cm² _ _ |
El momento de inercia es una cantidad física escalar , una medida de la inercia en el movimiento de rotación alrededor de un eje, así como la masa de un cuerpo es una medida de su inercia en el movimiento de traslación. Se caracteriza por la distribución de masas en el cuerpo: el momento de inercia es igual a la suma de los productos de las masas elementales y el cuadrado de sus distancias al conjunto base (punto, línea o eje).
Unidad de medida en el Sistema Internacional de Unidades (SI ) : kg m² .
Designación : I o J.
Hay varios momentos de inercia, según el tipo de conjunto base al que se miden las distancias de las masas elementales.
El momento de inercia de un sistema mecánico relativo a un eje fijo (“momento de inercia axial”) es el valor de J a , igual a la suma de los productos de las masas de todos los n puntos materiales del sistema y los cuadrados de sus distancias al eje [1] :
dónde:
El momento de inercia axial del cuerpo J a es una medida de la inercia del cuerpo en movimiento de rotación alrededor del eje, así como la masa de un cuerpo es una medida de su inercia en movimiento de traslación .
dónde:
dm = ρ dV es la masa de un elemento de pequeño volumen del cuerpo dV , ρ es la densidad, r es la distancia del elemento dV al eje a .Si el cuerpo es homogéneo, es decir, su densidad es la misma en todas partes, entonces
El momento de inercia de un cuerpo rígido con respecto a cualquier eje depende de la masa , forma y tamaño del cuerpo, así como de la posición del cuerpo con respecto a este eje. De acuerdo con el teorema de Huygens-Steiner, el momento de inercia de un cuerpo J con respecto a un eje arbitrario es igual a la suma del momento de inercia de este cuerpo J c con respecto a un eje que pasa por el centro de masa del cuerpo paralelo a la eje considerado, y el producto de la masa corporal m por el cuadrado de la distancia d entre los ejes [1] :
donde m es la masa total del cuerpo.
Por ejemplo, el momento de inercia de una barra con respecto a un eje que pasa por su extremo es:
Cuerpo | Descripción | una posición del eje | Momento de inercia J a |
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Material punto de masa m | A una distancia r del punto, fijo | ||
Cilindro hueco de pared delgada o anillo de radio r y masa m | Eje del cilindro | ||
Cilindro macizo o disco de radio r y masa m | Eje del cilindro | ||
Cilindro hueco de pared gruesa de masa m con radio exterior r 2 y radio interior r 1 | Eje del cilindro | [Comunicador 1] | |
Cilindro macizo de longitud l , radio r y masa m | El eje es perpendicular a la generatriz del cilindro y pasa por su centro de masa | ||
Cilindro hueco de pared delgada (anillo) de longitud l , radio r y masa m | El eje es perpendicular al cilindro y pasa por su centro de masa | ||
Varilla delgada recta de longitud l y masa m | El eje es perpendicular a la barra y pasa por su centro de masa | ||
Varilla delgada recta de longitud l y masa m | El eje es perpendicular a la varilla y pasa por su extremo. | ||
Esfera de paredes delgadas de radio r y masa m | El eje pasa por el centro de la esfera. | ||
Bola de radio r y masa m | El eje pasa por el centro de la bola. | ||
Cono de radio r y masa m | eje del cono | ||
Triángulo isósceles de altura h , base a y masa m | El eje es perpendicular al plano del triángulo y pasa por el vértice (en altura) | ||
Triángulo regular de lado a y masa m | El eje es perpendicular al plano del triángulo y pasa por el centro de masa | ||
Cuadrado de lado a y masa m | El eje es perpendicular al plano del cuadrado y pasa por el centro de masa | ||
Rectángulo de lados a y b y masa m | El eje es perpendicular al plano del rectángulo y pasa por el centro de masa | ||
N-ágono regular de radio r y masa m | El eje es perpendicular al plano y pasa por el centro de masa | ||
Toro (hueco) con radio de círculo guía R , radio de generatriz r y masa m | El eje es perpendicular al plano del círculo guía del toro y pasa por el centro de masa |
Cilindro de pared delgada (anillo, aro)
Derivación de fórmulasEl momento de inercia de un cuerpo es igual a la suma de los momentos de inercia de sus partes constituyentes. Dividamos un cilindro de paredes delgadas en elementos con masa dm y momentos de inercia dJ i . Después
Dado que todos los elementos de un cilindro de pared delgada están a la misma distancia del eje de rotación, la fórmula (1) se convierte a la forma
Cilindro de paredes gruesas (anillo, aro)
Derivación de fórmulasSea un anillo homogéneo con radio exterior R , radio interior R 1 , espesor h y densidad ρ . Dividámoslo en anillos delgados de espesor dr . La masa y el momento de inercia de un anillo delgado de radio r serán
Encontramos el momento de inercia de un anillo grueso como una integral
Como el volumen y la masa del anillo son iguales
obtenemos la fórmula final para el momento de inercia del anillo
Disco homogéneo (cilindro sólido)
Derivación de fórmulasConsiderando el cilindro (disco) como un anillo con radio interior cero ( R 1 = 0 ), obtenemos la fórmula para el momento de inercia del cilindro (disco):
cono solido
Derivación de fórmulasDividamos el cono en discos delgados de espesor dh perpendiculares al eje del cono. El radio de tal disco es
donde R es el radio de la base del cono, H es la altura del cono, h es la distancia desde la parte superior del cono al disco. La masa y el momento de inercia de dicho disco serán
Integrando, obtenemos
Bola uniforme sólida
Derivación de fórmulasDividamos la bola en discos delgados de espesor dh perpendiculares al eje de rotación. El radio de dicho disco, ubicado a una altura h desde el centro de la esfera, se puede encontrar mediante la fórmula
La masa y el momento de inercia de dicho disco serán
El momento de inercia de la pelota se encuentra por integración:
esfera de paredes delgadas
Derivación de fórmulasPara derivar, usamos la fórmula para el momento de inercia de una bola homogénea de radio R :
Calculemos cuánto cambiará el momento de inercia de la pelota si, a una densidad constante ρ , su radio aumenta en un valor infinitesimal dR .
Varilla delgada (el eje pasa por el centro)
Derivación de fórmulasPartamos la varilla en pequeños fragmentos de longitud dr . La masa y el momento de inercia de tal fragmento es
Integrando, obtenemos
Varilla delgada (el eje pasa por el extremo)
Derivación de fórmulasAl mover el eje de rotación desde el centro de la barra hasta su extremo, el centro de gravedad de la barra se mueve en relación con el eje una distancia l ⁄ 2 . Según el teorema de Steiner, el nuevo momento de inercia será igual a
Momentos de inercia adimensionales de los planetas y sus satélites [2] [3] [4]De gran importancia para los estudios de la estructura interna de los planetas y sus satélites son sus momentos de inercia adimensionales. El momento de inercia adimensional de un cuerpo de radio r y masa m es igual a la relación de su momento de inercia con respecto al eje de rotación al momento de inercia de un punto material de la misma masa con respecto a un eje de rotación fijo ubicado en una distancia r (igual a mr 2 ). Este valor refleja la distribución de la masa en profundidad. Uno de los métodos para medirlo en planetas y satélites es determinar el desplazamiento Doppler de la señal de radio transmitida por el AMS que vuela alrededor de un planeta o satélite determinado. Para una esfera de paredes delgadas, el momento de inercia adimensional es igual a 2/3 (~0,67), para una bola homogénea es 0,4 y, en general, cuanto más pequeña, mayor es la masa del cuerpo concentrada en su centro. Por ejemplo, la Luna tiene un momento de inercia adimensional cercano a 0,4 (igual a 0,391), por lo que se supone que es relativamente homogénea, su densidad cambia poco con la profundidad. El momento de inercia adimensional de la Tierra es menor que el de una bola homogénea (igual a 0,335), lo que es un argumento a favor de la existencia de un núcleo denso [5] [6] .
Los momentos centrífugos de inercia de un cuerpo con respecto a los ejes de un sistema de coordenadas cartesianas rectangulares son las siguientes cantidades [1] [7] :
donde x , y y z son las coordenadas de un pequeño elemento del cuerpo con volumen dV , densidad ρ y masa dm .
El eje OX se denomina eje principal de inercia del cuerpo , si los momentos centrífugos de inercia J xy y J xz son simultáneamente iguales a cero. Se pueden dibujar tres ejes principales de inercia a través de cada punto del cuerpo. Estos ejes son mutuamente perpendiculares entre sí. Los momentos de inercia del cuerpo relativos a los tres ejes principales de inercia dibujados en un punto arbitrario O del cuerpo se denominan momentos principales de inercia de este cuerpo [7] .
Los ejes de inercia principales que pasan por el centro de masa del cuerpo se denominan ejes de inercia centrales principales del cuerpo , y los momentos de inercia con respecto a estos ejes se denominan momentos de inercia centrales principales . El eje de simetría de un cuerpo homogéneo es siempre uno de sus principales ejes centrales de inercia [7] .
El momento geométrico de inercia del volumen con respecto al eje es la característica geométrica del cuerpo, expresada por la fórmula [8] :
donde, como antes, r es la distancia del elemento dV al eje a .
La dimensión de J Va es la longitud a la quinta potencia ( ), respectivamente, la unidad SI es m 5 .
El momento geométrico de inercia del área con respecto al eje es la característica geométrica del cuerpo, expresada por la fórmula [8] :
donde la integración se realiza sobre la superficie S y dS es un elemento de esta superficie.
La dimensión de J Sa es la longitud a la cuarta potencia ( ), respectivamente, la unidad SI es m 4 . En cálculos de construcción, literatura y surtidos de metal laminado , se suele indicar en cm 4 .
A través del momento geométrico de inercia del área , se expresa el momento de resistencia de la sección :
Aquí r max es la distancia máxima desde la superficie hasta el eje.
Momentos geométricos de inercia del área de algunas figuras. | |
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Altura y ancho del rectángulo : |
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Sección de caja rectangular con altura y anchura a lo largo de los contornos exteriores y , y a lo largo de los contornos interior y respectivamente |
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Diámetro del círculo |
El momento de inercia de un cuerpo rígido con respecto a cierto plano se denomina valor escalar igual a la suma de los productos de la masa de cada punto del cuerpo y el cuadrado de la distancia de este punto al plano considerado [9 ] .
Si dibujamos ejes de coordenadas a través de un punto arbitrario , entonces los momentos de inercia relativos a los planos de coordenadas , y se expresarán mediante las fórmulas:
En el caso de un cuerpo sólido, la suma se reemplaza por la integración.
El momento de inercia central ( momento de inercia con respecto al punto O, momento de inercia con respecto al polo, momento de inercia polar ) es una cantidad definida por la expresión [9] :
dónde:
El momento de inercia central puede expresarse a través de los principales momentos de inercia axial, así como a través de los momentos de inercia relativos a los planos [9] :
El momento de inercia de un cuerpo alrededor de un eje arbitrario que pasa por el centro de masa y tiene una dirección dada por un vector unitario se puede representar como una forma cuadrática (bilineal) :
(una)donde es el tensor de inercia . La matriz del tensor de inercia es simétrica, tiene dimensiones y consta de componentes de momento centrífugo:
Al elegir un sistema de coordenadas apropiado, la matriz del tensor de inercia se puede reducir a una forma diagonal. Para hacer esto, debe resolver el problema de valores propios para la matriz tensorial :
donde es la matriz de transición ortogonal a la base propia del tensor de inercia. En su propia base, los ejes de coordenadas están dirigidos a lo largo de los ejes principales del tensor de inercia y también coinciden con los semiejes principales del elipsoide del tensor de inercia. Las cantidades son los principales momentos de inercia. La expresión (1) en su propio sistema de coordenadas tiene la forma:
de donde se obtiene la ecuación del elipsoide en coordenadas propias. Dividiendo ambos lados de la ecuación por
y haciendo las sustituciones:
obtenemos la forma canónica de la ecuación del elipsoide en coordenadas :
La distancia del centro del elipsoide a alguno de sus puntos está relacionada con el valor del momento de inercia del cuerpo a lo largo de una recta que pasa por el centro del elipsoide y este punto:
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