最全的转动惯量的计算(教育类别)

求N，就得求 aC ，即C点的
NX
C 加速度，现在C点作圆周运动， mg 可分为切向加速度和法向加速
度但对一点来说，只有一个加
速度。故这时：
aCX ….实际上正是质心的转动的切向加速度 aCY ….实际上正是质心培训类的转动的法向加速度23
N
XO N
aCX
YZ
aCY
C
mg
由角量和线量的关NN系YX :mmgaC23XmgL asiCnY
解:受力分析
取任一状态,由转动定律
M外
1 2
mgl
sin
J
P o
J 1 ml 2 3
3g sin
2l
培训类
11
d d d 3g sin d t d d t 2l
d 3g sind
2l
初始条件为：=0，=0
d
3g
sin d
0
2l 0
3g (1 cos )
2l
培训类
12
例题2 一个质量为M，半径为R的定滑轮（当作均 匀圆盘）上面绕有细绳。绳的一端固定在滑轮边 上，另一端挂一质量为m的物体而下垂。忽略轴处 摩擦，求物体m由静止下落h高度时的速度和此时 滑轮的角速度。
d Z 心Z高处切一厚为dz的薄圆 盘。其半径为
O X
R
Y r R2 Z2
其体积：
dV r2dZ (R2 Z 2 )dZ
其质量： dm dV (R2 Z 2 )dZ
其转动惯量：dJ 1 r2dm 1 (R2 Z 2 )2 dZ
2 2 培训类
7
dJ 1 r 2dm 2
1 (R2 Z 2 )2 dZ
r 2dm l 2 x2dx l3
l 2
12
将 l m 代入上式，得：
J0
1 12
ml
2
培训类
2
（2）当转轴通过棒的一端A并与棒垂直时
A
xO
dx l
J0
r 2dm l x2dx 1 ml 2
0
3
培训类
3
例题2）半径为R的质量均匀分布的细圆环，质 量均为m，试分别求出对通过质心并与环面垂 直的转轴的转动惯量。
圆柱对质心的转动定律：
Fl f R JC
l ac f
纯滚动条件为： aC R
圆柱对质心的转动惯量为：
JC
1 mR 2 2
培训类
15
联立以上四式，解得：
aC
2F(R l) 3mR
由此可见
f R 2l F 3R
当l < R 2时，f > 0，静摩擦力向后；
பைடு நூலகம்
当 l > R 2时，f < 0，静摩擦力向前。
5.3 定轴转动的转动惯量
• 质量离散分布的刚体 J miri2 • 质量连续分布的刚体 J r 2dm
dm为质量元，简称质元。其计算方法如下：
质量为线分布 dm dl
质量为面分布 dm ds
质量为体分布 dm dV
J与质量大小、质量分布、转轴位置有关
演示程序： 影响刚体转动惯量的因素
培训类
J
1 3 培训类
m
L2
2L
20
N XO
Y
Z
r
2）=？ 3g sin
2L
d d d dt d dt
mg d 3g sin( ) d 2L 2
d 3g cosd
2L
两边积分：
d
/2
3g
cosd
0
2 L 培训类 0
21
2）=？
N
YZ
XO
r
d / 2 3g cosd
培训类
16
例一静止刚体受到一等于M0（N.m)的不变力矩的 作用,同时又引起一阻力矩M1， M1与刚体转动的 角速度成正比,即| M1 |= a(Nm),(a为常数)。又
已知刚体对转轴的转动惯量为J,试求刚体角速度
变化的规律。
已知：M0 J M1= –a |t=0=
求：（t）=？
0
解： 1）以刚体为研究对象；
解：对定滑轮M，由转动定律， 对于轴O，有
RT J 1 MR 2
2
对物体m，由牛顿第二定律，
mgT ma
RO
M
T1
T2 a
mg h
滑轮和物体的运动学关系为 a R
培训类
13
以上三式联立，可得物体下落的加速度为 a m g mM 2
物体下落高度h时的速度
v 2ah 4m gh 2m M
2
J dJ
R 1 (R2 Z 2 )2 dZ
R2
8 R5 2 mR2
15
5
m 4 R3
3
培训类
8
（1）平行轴定理
JD JC md2
JC JD
d
C
z （2）薄板的正交轴定理
o
y
Jz Jx Jy
x
培训类
9
常见刚体的转动惯量
J m r2 J m r2 / 2 J m r2 / 2 J m(r12 r22) / 2
1
例题1 求质量为m，长为l的均匀细棒对下面转轴 的转动惯量：(1)转轴通过棒的中心并和棒垂直； (2) 转轴通过棒的一端并和棒垂直。
解：(1) 在棒上离轴x处，取一长度元dx（如图所 示），如果棒的质量线密度为，则长度元的质
量为dm=dx，根据转动惯量计算公式：
J r 2dm
A
Ox
dx
有
l
J0
象
mg
受力：mg，N（不产生 对轴的力矩）
建立OXYZ坐标系
培训类
19
建立OXYZ坐标系（并以Z轴为转动量的正方向）
N
Y
M
Z
L
XO
r
M mg L sin
r故取JF正 值沿。13Z轴m正2L2向，(1)
mg 0则 0
/ 2则 3g / 2L
M mg sin 3g sin
5
dJ 2r3hdr
J dJ R 2r3hdr 1 R4h
0
2
m
R 2 h
代入得
J 1 mR 2
2
J与h无关
一个质量为m、半径为R的实心圆柱体对其中心 轴的转动惯量也与上述结果相同。
培训类
6
例4）求一质量为m的均匀实心球对其一条直径
为轴的转动惯量。
Z
解：一球绕Z轴旋转，离球
Zr
J m l2 /12
J m r2 / 2 J 2m r2 / 5 J 2m r2 / 3
培训类
10
例题1 一长为l,质量为m的匀质细杆竖直放置, 其下端与一固定铰链o相连,并可绕其转动.当其 受到微小扰动时,细杆将在重力的作用下由静止
开始绕铰链o转动.试计算细杆转到与铅直线呈
角时的角加速度和角速度.
M+
2）分析受力矩
M0 J M1
3）建立轴的正方向； 4）列方程：
M 培训类 0 M1 J
17
解：4）列方程：
M 0 M1 J M 0 M1 M 0 a
M+ M0
M1=–a
d M 0 J a
dt
J
J
1 (ln M 0 a ) t
分离变量：
a
M0
J
d dt M 0 a J
d
t dt
0 M 0 a 0 J
培训类
M0
a
at
e J
M0
18
例）设一细杆的质量为m，长为L，一端支以
枢轴而能自由旋转，设此杆自水平静止释放。
求：1 ）当杆与铅直方向成角时的角加速度：
2 ）当杆过铅直位置时的角速度：
3 ) 当杆过铅直位置时，轴作用于杆上的力。
N YZ
L
已知：m，L
XO
求：，，N 解：1）以杆为研究对
dl
R
培训类
4
例题3 求质量为m、半径为R、厚为h的均质圆盘 对通过盘心并与盘面垂直的轴的转动惯量。
解：如图所示，将圆盘看成许多薄圆环组成。取 任一半径为r，宽度为dr的薄圆环，此薄圆环的转 动惯量为
dJ r 2dm
dm为薄圆环的质量。以 表示圆盘的质量体密度
dm dV 2rhdr
培训类
mg m mg
N
5
mgˆj
2
2
2培训类
25
这时滑轮转动的角速度
4m gh
v 2m M
R
R
培训类
14
例题3 一质量为m、半径为R的均质圆柱，在水 平外力作用下，在粗糙的水平面上作纯滚动，力 的作用线与圆柱中心轴线的垂直距离为l，如图所 示。求质心的加速度和圆柱所受的静摩擦力。
解：设静摩擦力f的方向如 图所示，则由质心运动方程
F
F f maC
aCX R
L 3g sin 0 0
2 2L
aCY
R
2
3g L
培训类
L 2
3g L
2
3g 2
24
N
YZ
N X maCX (1)
NY mg maCY (2)
XO
N aCY
aCX 0
aCY
3g 2
aCX C
mg
代入(1)、（2）式中：
N X maCX 0
NY mg maCY
3g 5
0
0 2L
1 2
2
3g sin
2L
0
/
2
3g 2L
mg
3g L
3）求N=？ 轴对杆的力，不影响到杆的转动，但影响质 心的运动，故考虑用培质训类心运动定理来解。 22
N
YZ
XO
N aCY
N
3）求N=？
N y N mg maC
写成分量式：
NX
N X maCX
aCX C
mg
N
NY
NY mg maCY