如何判断物体的转动惯量的大小?

如题所述

一、【答】就此题的条件而言,无法判定谁的转动惯量谁大。

原因有三点:①没有说明这两个圆环的大小(半径),在其他条件均保持不变的情况下,半径越大转动惯量越大。②没有标明圆环所绕轴与圆环的相对位置和角度关系。而同一个物体绕不同旋转轴的转动惯量是不同的。③即便①、②两点条件相同。就“分布不均匀”而言没有具体说明是如何分布不均,因为质量越“集中靠外”分布(其他条件不变)转动惯量相对越大,故无法和“分布均匀”进行比较。

二、【名词解释】

“转动惯量”是刚体绕轴转动时惯性的量度。(通俗解释:转动惯量越大,物体越难转起来,同时转起来的物体也越难停下)要注意转动惯量和物体是否旋转及速度无关,就如同物体的“惯性”只与质量成正比而和速度无关。

三、【举例说明】

以下例子均满足提问条件,即物体均为圆环。旋转轴和圆环的粗细均认为是无穷细。图中圆环红色部分和蓝色部分长度均等而质量分别为λ·M、(1-λ)·M,(0<λ<1),同一颜色质量分布均匀。半径均用r(小写、可带下标)表示、转动惯量用I表示(带下标)。如下表(图)

上述例子的公式推导过程见【附录】。

四、【总结】

由上述例子可得:“旋转轴在圆心且垂直于圆环”时,例圆环A、圆环B(图1),因为环上的每一个质点与转动轴的距离都相等(空间中点到直线的距离),所以转动惯量与质量分布无关。

圆环D和圆环E(图2、3)的转动惯量均与质量分布有关,规律都是质量越“靠近”旋转轴,则转动惯量越小。直观上分析:圆环D的质点与旋转轴平均距离最远(点与直线的距离)、而圆环E的最近,故相同M和r以及λ在1/2附近的条件下的转动惯量,圆环D>圆环A=圆环B>圆环E。

五、【附录】(计算过程采用微积分,按旋转轴到圆环的角度微分)

注:R表示质心到旋转轴的距离(r才是圆环半径),dM=质量/弧度*dθ

图1.旋转轴在圆心且垂直于圆环

图2.旋转轴在边上垂直于圆环

图3.旋转轴为圆环的直径

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