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

где J_p— полярный момент инерции

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

С изменением угла поворота осей a каждая из величин J_u и J_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 выражение J_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 инерции J_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.