Изменение значений геометрических характеристик сечения при повороте осей

Рассмотрим плоскую фигуру с известными геометрическими характеристиками 1_Х, 1_у и 1_ху относительно осей х и у (рис. 3.3). Определим с их помощью значения аналогичных геометрических характеристик относительно осей и и v, которые составляют с начальной системой угол а.

Вычислим координаты центра тяжести бесконечно малого элемента площади dA в новой координатной системе и и v:

Рис. 3.3. К определению геометрических характеристик при повороте осей.

Момент инерции относительно повернутой оси Ои будет равен.

Используя обозначения геометрических характеристик относительно исходных осей, получим.

Для двух остальных геометрических характеристик формулы получаем аналогично:

Полученные формулы преобразуем с помощью тригонометрических формул.

После преобразования формулы для вычисления осевых н центробежного моментов инерции при повороте осей приобретают вид.

Главные оси и главные моменты инерции

Ранее было отмечено, что сумма осевых моментов является постоянной величиной. Легко убедиться в том, что это положение следует также и из формул (3.22):

Оси, относительно которых моменты инерции принимают максимальное и минимальное значения, называются главными осями, а моменты инерции относительно таких осей — главными моментами инерции.

При повороте осей величины осевых моментов изменяются, поэтому должна существовать пара взаимно перпендикулярных главных осей, относительно которых моменты инерции достигают минимального и максимального значений. Докажем это положение. Для этого исследуем на экстремум осевой момент инерции 1_и:

Поскольку выражение в скобках должно равняться нулю, получаем формулу, позволяющую определить положение одной из главных осей:

Угол а₀, отсчитываемый от оси Ох против часовой стрелки, определяет положение главной оси относительно оси Ох. Докажем, что перпендикулярная этой оси ось также является главной. Подставим в выражение для о Л производной угол а₀ + —:

Таким образом, главные оси являются взаимно перпендикулярными осями.

Обратим внимание на то, что выражение в скобках согласно третьей формуле (3.22) соответствует центробежному моменту. Таким образом, мы доказали, что центробежный момент инерции относительно главных осей равен нулю.

Воспользуемся этим результатом и выведем формулу для вычисления главных моментов инерций. Для этого вторую и третью формулы (3.22) перепишем в следующем виде:

Возводя в квадрат и складывая правые и левые части обоих уравнений, получаем.

Отсюда следует формула для вычисления двух главных моментов инерции:

В формуле (3.25) знак «плюс» соответствует максимальному главному моменту инерции, а знак «минус» — минимальному его значению.

В отдельных частных случаях положение главных осей можно определить без расчетов. Так, если сечение симметричное, то ось симметрии является одной из главных осей, а второй осью является любая ось, ей перпендикулярная. Это положение непосредственно следует из равенства нулю центробежного момента инерции относительно осей, одна из которых является осью симметрии.

Среди всех пар главных осей можно выделить особую пару, обе оси которой проходят через центр тяжести сечения.

Главные оси, проходящие через центр тяжести сечения, называются главными центральными осями, а моменты инерции относительно таких осей — главными центральными моментами инерции.

Как было уже отмечено, поворот системы координат вызывает изменение геометрических характеристик плоских фигур. Можно показать, что совокупность геометрических характеристик, принадлежащих данному сечению, описывается симметричным тензором, называемым тензором инерции сечения, который можно записать в виде матрицы:

Первый инвариант тензора инерции, представляющий собой сумму осевых моментов инерции, был нами получен ранее (см. формулу (3.23)). Второй инвариант тензора инерции имеет вид.

Эта величина будет использована при получении общего решения для изгиба стержня.