• Nie Znaleziono Wyników

B. Równowaga sił w podpartych ciałach sztywnych

I). Momenty bezwładności i odśrodkowe,

a. Zasady ogólne.

Suma iloczynów z cząstek masy d M i kwadratów ich odległości r od danej osi nazywa się momentem bezwładności ciała materyalnego względem tej osi: r /* 2. ,i i r

180 Dziat drugi. — Mechanika.

We wzorze. J = ma9 oznacza: a dowolną długość, a m = J:a- masę ciała, odniesioną do odległości a. Jeżeli o — 1, to m — J (t. zn.

masa odniesiona do odległości 1).

Nadając wzorowi naszemu formę:

J = Mi-,

w którym M oznacza całą masę ciała, nazywamy i ramieniem bezwładności masy M.

Jeżeli ciało (bryła, powierzchnia, linia) składa się z wielu (n) części, to jego moment bezwładności równa się sumie momentów bezwładności części składowych, względem jednej i tej samej osi:

/ =

Jeżeli części te są jednolite, wzajemnie sobie równe i leżą sy­

metrycznie względem osi, to:

Ą — Ą = Ą = --- = J„ = ( / : ń):

Momentem odśrodkowym ciała materyalnego, względem dwóch osi, nazywa się wyraz:

J xff — f

w którym x i y są spóirzędnemi cząstki masy d M.

2. Jeżeli na każdej z osi, przechodzących przez jakibądź punkt ciała, odetniemy kresę odwrotnie ustosunkowaną do ramienia bez­

władności względem tejże osi, to wszystkie te punkty krańcowe będą leżały w powierzchni elipsoidu bezwładności, którego osiom głównym odpowiadają też główne momenty bezwładności (pór. str. 128 i rys. 127 na str. 190). Jeżeli momenty odśrodkowe względem każdej pary osi spółrzędnych prostokątnych są równe zeru, czyli,, jeżeli:

I'x y ■ d M — J x z • dM = J y z - d M — 0,

to osie główne elipsoidu, czyli główne osie bezwładności, zlewają się z osiami spółrzędnych i naodwrót:

W prostokątnym układzie spółrzędnych, którego osiami są główne osie bezwładności, momenty odśrodkowe dla tych osi są równe zeru.

Jeżeli ciało posiada p ł as z cz y z nę symetryi, to każda prosto­

padła do niej jest jedną z głównych', osi bezwładności. Jeżeli ciało posiada oś symetryi, to jest ona dla każdego ze swych punktów jedną z trzech osi głównych.

Jeżeli środek ciężkości jest początkiem spółrzędnych, to wóurczas elipsoid bezwładności przybiera nazwę elipsoidu centralnego, a głów­

ne jego osie noszą w tym razie miano osi swobodnych.

3. Jeżeli główne moment)’ bezwładności względem dowolnego punktu równe są .1, B, C, to moment bezwładności względem dowolnej osi, przechodzącej przez ten punkt i nachylonej do osi głównych pod kątami a, /?, •/, jest:

J = A cos2 a -t- B cos2 j5+ C cos2 y.

4. Moment bezwładności względem osi równoległych.

Jeżeli J $ jest momentem bezwładności ciała o masie ill względem osi obrotowej, przechodzącej przez środek ciężkości, a J

rnorncn-II. Statyka cial sztywnych. 181 tem bezwładności względem innej osi, leżącej równolegle do pierw­

szej, w odległości e, to:

/ = . / -+- Me-, a zatem również: J s — J — ilfc2.

Jeżeli J i i są momentami bezwładności dwóch ciał względem równoległych ich osi ciężkości, to moment bezwładności ciała z ł o ż o ­ nego z tych dwóch ciał względem osi, przechodzącej przez jego śro­

dek ciężkości, a równoległej do osi pierwszych, będzie:

e we wzorze powyższym oznacza odległość wzajemną równoległych osi ciężkości mas ilij i M t .

5. Wzorując się na ciałach jednolitych, możemy uważać momenty bezwładności brył geometrycznych względem danej osi, jako sumę iloczynów cząstek prz es t rz ennyc h bryły i kwadratów ich odległo­

ści od osi.

Takie same znaczenie mają momenty bezwładności powierzchni i linij (z zastrzeżeniem ich jednolitości masowej).

8. Momenty bezwładności pól (powierzchni) płaskich.

1. Równikowy moment bezwładności pola płaskiego ma za oś prostą, leżącą w płaszczyznie pola (oś równikowa); osią zaś biegu­

nowego momentu bezwładności jest prosta, prostopadła do płasz­

czyzny pola (oś biegunowa).

Bi egunowy moment bezwładności pola płaskiego równa się su­

mie dwóch równikowych momentów bezwładności względem dwóch dowolnych osi równikowych, przecinających się pod kątem prostym w osi biegunowej:

nazywa się momentem odśrodkowym powierzchni i'' względem osi, leżących w jej płaszczyźnie; x i y są spółrzędnemi cząstki d F pola.

Każde dwie osie, względem których J xy = 0, nazywają się osiami Sprzężonemi; jeżeli są one nadto do siebie prostopadłe, to przyjmują nazwę osi głównych. Oś symetryi, jeżeli taka się znajduje, i każda równoległa do kierunku symetryi, są zawsze osiami sprzężonemi.

Jeżeli kierunek symetryi jest prostopadły do osi symetryi, to oś ta i każda równoległa do kierunku symetryi są zatem dwiema osiami głównemi.

3. Jeżeli na każdej osi, przechodzącej przez jeden punkt płasz­

czyzny, odetniemy kresę, odwrot nie ustosunkowaną do ramienia bezwładności odnośnego równikowego momentu bezwładności, to wszystkie punkty krańcowe tych kres znajdą się na obwodzie elipsy bezwładności; obydwom osiom głóiwiiym tej elipsy odpowiadają oby­

dwa gł ó wne mo ment y bez wł a d n o ś c i (por. 2., str. 180). Jedna z tych osi głównych, odnosząca się do głównego momentu bez­

2. Wyraz:

władności: J miX— A., nazywa się pierwszą, druga zaś dla główne­

go momentu bezwładności ./min — B, drugą osią główną.

4. Jeżeli oznaczymy ramiona bezwładności obydwóch głównych momentów bezwładności przez a i b, to równanie elipsy względem Osi głównych h2x2 -V- a2y2 — k,2 przyjmie najprostszą postać:

x---- U 2 w2— 1. a2

b-jeżeli k — ab (por. str. 103). Przy powyższem założeniu ramię bez­

władności względem dowolnej osi równa się jej odległości od stycznej do elipsy bezwładności) poprowadzonej równolegle z ową osią. Głow­

nem! półosiami są ramiona bezwładności a i h.

Jeżeli środek ciężkości S pola płaskiego jest równocześnie po­

czątkiem spółrzędnych O, to elipsa bezwładności przyjmuje miano elipsy centralnej.

B. Z mi an a osi.

«) Obró t osi. Jeżeli momenty pola płaskiego względem dwóch dowolnych, wzajemnie do siebie prostopadłych osi O X i O Y, ozna­

czymy przez J x, J y i J Xy, to względem nowej osi, nachylonej do osi O A' pod kątem a, a przechodzącej przez tenże początek O, będzie:

J a — J x cos2 a -+- J sin2 a — J x sin 2 a.

Położenie osi g ł ównyc h oznaczamy z obydwóch kątów a0, ja­

kie osie te tworzą z osią x, a określonych wzorem:

tg 2 «o = '

y *

Obrawszy natomiast osie główne za osie spółrzędnych, przyczern

•Jxy — 0 (por. 2.), a J x = A, J^ — B (por. 3.), otrzymamy wzór prostszy: J — A cos2 a -+- B sin2 a.

/?) Przesunięcie równoległe. Jeżeli J s jest momentem bez­

władności pola płaskiego F względem osi, przechodzącej przez jej środek ciężkości S, a J momentem bezwładności tegoż pola F wzglę­

dem innej osi, leżącej w odstępie e, równolegle do pierwszej, to bę­

dzie (por. 4., str. 180):

J — J s -f- F e 2, a zatem również: .Tg~ J — Fe?.

6. Obl i czeni e J względem dwóch osi do siebie pro­

stopadłych.

a) Jeżeli moment odśrodkowy pola płaskiego F, względem dwóch prostopadłych do siebie osi ciężkości S X ' i ii V , jest J ’xy, to J xy względem dwóch nowych osi OA' i O Y, przesuniętych równolegle do siebie o f, będzie: J xy = J 'xy-t- Fęy.

Ponieważ osie główne prostokąta (jako osie symetryi) mają J 'xy— 0, więc pole, złożone z samych prostokątów równoległych f t , sf 2, f ?i . . . , będzie posiadało moment odśrodkowy względem dowolnej osi, równo­

ległej do boków owych prostokątów, wyrażający się dokładnie wzorem:

J xy = z / c v

1 0 2 Dział drugi. — Mechanika.

Dzieląc zatem dowol ne pola płaskie na wązkie paski/, równo­

ległe do osi 0 X lub 0 Y, można uważać je za prostokąty i otrzy­

mać w ten sposób z dostateczną ścisłością:

Jxy = f xV df 4/5 ?•

ß) J xy możemy też oznaczyć z równania pierwszego w 5. a., wyli­

czając bezpośrednio ,Ta względem osi, pochylonej pod kątem a = 45°;

będzie wówczas:

J ,9 = lk Tv) - J a.

7. Odcinając na pierwszej osi głównej, przechodzącej przez śro­

dek ciężkości S (por. 3., str. 181) na obiedwie strony kresę c, okre­

śloną równaniem: A — B — F c2 (rys. 111), otrzymamy dwa punkty F l i F 2, które nazwiemy punktami stale] bezwładności przekroju F. Dla tych punktów mają mo­

menty bezwładności względem każdej do­

wolnej osi, przez jeden z nich przecho­

dzącej, jednę i tę samą stałą wartość *4.

Wykreślamy zaś te punkty (podług Rob.

Land), jako przecięcia się pierwszej osi głównej z kołem zatoczonem nad średnicą .'liBj. Końce średnicy A^B^ znajdujemy zaś jako punkty drugiej osi głównej, okre­

ślone związkami ich odległości od S, a mianowicie:

p * A — B . n

S A\ — ~ i S ßi ——

n F

(» jest dogodnie dobraną, dowolną wielkością trzeciego wymiaru).

Ż pomocą punktów stałej bezwładności można oznaczyć moment bezwładności J względem dowolnej osi CC w płaszczyznie prze­

kroju F (rys. 111).

•T — A —t— /' Ci 6% j

«i i e, oznaczają tu oddalenia punktów stałej bezwładności F x i F2 od osi CC.

Dla dowolnego punktu P w płaszczyznie osie główne, przez nie­

go przechodzące, są dwójsiecznemi kątów, utworzonych przez proste PF, i P F ,.

b . W ykreślanie m om entów bezwładności.