Реферат: Геометрические характеристики поперечных сечений

(4)

Следовательно, при параллельном переносе осей (если одна из осей — центральная) осевые моменты инерции меняются на величину, равную произведению площади на квадрат расстояния между осями.

Из первых двух формул (4) следует, что в семействе парал­лельных осей минимальный момент инерции получается относи­тельно центральной оси (а = 0 или Ь = 0). Поэтому легко запом­нить, что при переходе от центральных осей к нецентральным осе­вые моменты инерции увеличиваются и величины a² F и b² F следует к моментам инерции прибавлять, а при переходе от нецентральных осей к центральным — вычитать.

При определении центробежного момента инерции по формулам (4) следует учитывать знак величин а и b. Можно, однако, и сразу установить, в какую сторону меняется величина J_xy при параллельном пере­носе осей. Для этого следует иметь в виду, что часть площади, находя­щаяся в I и III квадрантах системы координат x₁ y₁ , дает поло­жительное значение центробежного момента, а части, находящиеся в II и IV квадрантах, дают отрицательные значения. Поэтому при переносе осей проще всего устанавливать знак сла­гаемого abF в соответствии с тем, ка­кие из четырех слагаемых площадей увеличиваются и какие — уменьшают­ся.

ГЛАВНЫЕ ОСИ И ГЛАВНЫЕ МОМЕНТЫ ИНЕРЦИИ

Рис. 3

Посмотрим, как изменяют­ся моменты инерции при по­вороте осей координат. Поло­жим, даны моменты инерции некоторого сечения относительно осей х, у (не обязательно центральных). Требуется определить J_u , J_v , J_uv — моменты инерции относительно осей и, v, повернутых относительно первой системы на угол a (рис. 3).

Проектируем замкнутый четырехугольник ОАВСО на оси и и v. Так как проекция ломаной линии равна проекции замыкающей, на­ходим:

u = y sin a +x cos a , v = y cos a — x sin a

В выражениях (3), подставив вместо x₁ и y₁ соответственно u и v, исключаем u и v

откуда

(5)

Рассмотрим два первых уравнения. Складывая их почленно, получим, что сумма осевых моментов инерции относительно двух взаимно перпендикулярных осей не зависит от угла a и при пово­роте осей остается постоянной. При этом

x² + y² = r²

где r — расстояние от начала координат до элементарной площадки (рис. 3). Таким образом,

J_x + J_y = J_p

гдеJ_p — полярный момент инерции

величина которого, естественно, не зависит от поворота осей ху.

С изменением угла поворота осей a каждая из величинJ_u иJ_v меняется, а сумма их остается неизменной. Следовательно, сущест­вует такое a, при котором один из моментов инерции достигает своего максимального значения, в то время как другой момент инер­ции принимает минимальное значение.

Дифференцируя выражениеJ_u (5) по a и приравнивая произ­водную нулю, находим

(6)

При этом значении угла a один из осевых моментов будет наиболь­шим, а другой — наименьшим. Одновременно центробежный момент инерцииJ_uv при указанном угле a обращается в нуль, что легко устанавливается из третьей формулы (5).

Оси, относительно которых центробежный момент инерции равен нулю, а осевые моменты принимают экстремальные значения, назы­ваются главными осями. Если они к тому же являются централь­ными, то тогда они называются главными центральными осями. Осевые моменты инерции относительно главных осей называются главными моментами инерции. Для определения этого первые две формулы (5) перепишем в виде

Далее исключаем при помощи выражения (6) угол a. Тогда

Верхний знак соответствует максимальному моменту инерции, а нижний — минимальному. После того как сечение вычерчено в масштабе и на чертеже показано положение главных осей, нетрудно установить, которой из двух осей соответствует максимальный и которой — минимальный мо­мент инерции.

Если сечение имеет ось симметрии, то эта ось всегда будет главной .Центробежный момент инерции части сечения, расположенной по одну сторону от оси, будет равен моменту части, расположенной по другую сторону, но противоположен ему по знаку. Сле­довательно, J_ху = 0 и оси х и у являются глав­ными.