垂直軸の定理

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垂直軸の定理とは、十分に薄く厚さを無視できる板について、面に垂直な回転軸周りの慣性モーメントIzは同じ点で面を通りかつ面に平行な回転軸周りの2つの慣性モーメントIx,Iyの和に等しい。Iz=Ix+Iyであるという定理。

導出[編集]

密度をρ、軸からの微小体積の位置ベクトルをz軸を無視してr=(x,y)とする。

Iz=∫Sρr2dS=∫x∫yρ(x2+y2)dydx=∫x∫yρy2dydx+∫x∫yρx2dydx=Ix+Iy

位置ベクトルをxy成分に分けて、積分をx,yに分けて計算すると第1項はIx第2項はIyにある。

対称性[編集]

特に、円板,円環,正方形などの対称性からIx=Iyとなるような物体では

Iz=2Ix=2Iy

となって、IzからIx,Iyを求められる。

例[編集]

円板[編集]

半径aで密度一定の質量Mの厚さを無視できる円板を考える。 すなわち、z軸方向の距離を無視できる他、密度はρ=Mπa2になる。

重心を通り面に垂直な軸周りの慣性モーメントIGzは、

IG,z=∫r=0a∫θ=02πMπa2r2drrdθ=∫r=0a∫θ=02πMπa2r3dθdr=12Ma2

重心を通り面に平行な軸周りの慣性モーメントIG,x=IG,yは、垂直軸の定理より

IG,x=IG,y=12IG,z=14Ma2

関連項目[編集]