Редактировал(а) Dmitry Fedin 2012/05/22 06:13

Последние авторы
1 {{toc/}}
2
3 = Формулировка теоремы =
4
5 (% style="margin-top: 0.4em; margin-bottom: 0.5em; line-height: 19px; font-size: 13px; font-style: normal; " %)
6 **Теоре́ма Гю́йгенса — Ште́йнера**, или просто **теорема Штейнера** (названа по имени швейцарского математика [[Якоба Штейнера>>url:http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A8%D1%82%D0%B5%D0%B9%D0%BD%D0%B5%D1%80,_%D0%AF%D0%BA%D0%BE%D0%B1||style="color: rgb(11, 0, 128); background-image: none; background-attachment: initial; background-origin: initial; background-clip: initial; background-color: initial; " title="Штейнер, Якоб"]] и голландского математика, физика и астронома [[Христиана Гюйгенса>>url:http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D1%8E%D0%B9%D0%B3%D0%B5%D0%BD%D1%81,_%D0%A5%D1%80%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B8%D0%B0%D0%BD||style="color: rgb(11, 0, 128); background-image: none; background-attachment: initial; background-origin: initial; background-clip: initial; background-color: initial; " title="Гюйгенс, Христиан"]]): [[момент инерции>>url:http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%BE%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D1%82_%D0%B8%D0%BD%D0%B5%D1%80%D1%86%D0%B8%D0%B8||style="color: rgb(11, 0, 128); background-image: none; background-attachment: initial; background-origin: initial; background-clip: initial; background-color: initial; " title="Момент инерции"]] тела [[image:http://upload.wikimedia.org/wikipedia/ru/math/f/f/4/ff44570aca8241914870afbc310cdb85.png||alt="J" class="tex" style="border-top-style: none; border-right-style: none; border-bottom-style: none; border-left-style: none; border-width: initial; border-color: initial; vertical-align: middle; "]] относительно произвольной оси равен сумме момента инерции этого тела [[image:http://upload.wikimedia.org/wikipedia/ru/math/9/1/1/91167a8a4b252f9fba367e8745ae7c10.png||alt="J_C" class="tex" style="border-top-style: none; border-right-style: none; border-bottom-style: none; border-left-style: none; border-width: initial; border-color: initial; vertical-align: middle; "]] относительно параллельной ей оси, проходящей через центр масс тела, и произведения массы тела [[image:http://upload.wikimedia.org/wikipedia/ru/math/6/f/8/6f8f57715090da2632453988d9a1501b.png||alt="m" class="tex" style="border-top-style: none; border-right-style: none; border-bottom-style: none; border-left-style: none; border-width: initial; border-color: initial; vertical-align: middle; "]] на квадрат расстояния [[image:http://upload.wikimedia.org/wikipedia/ru/math/8/2/7/8277e0910d750195b448797616e091ad.png||alt="d" class="tex" style="border-top-style: none; border-right-style: none; border-bottom-style: none; border-left-style: none; border-width: initial; border-color: initial; vertical-align: middle; "]] между осями:
7
8 (% style="margin-top: 0.2em; margin-bottom: 0.5em; font-size: 13px; font-style: normal; " %)
9 : [[image:http://upload.wikimedia.org/wikipedia/ru/math/9/1/1/9117af9ebd94a5e1466e855dc026e5a9.png||alt="J=J_C+md^2\,\!" class="tex" style="border-top-style: none; border-right-style: none; border-bottom-style: none; border-left-style: none; border-width: initial; border-color: initial; vertical-align: middle; "]]
10
11 (% style="margin-top: 0.4em; margin-bottom: 0.5em; line-height: 19px; font-size: 13px; font-style: normal; " %)
12 где
13
14 (% style="margin-top: 0.2em; margin-bottom: 0.5em; " %)
15 : [[image:http://upload.wikimedia.org/wikipedia/ru/math/9/1/1/91167a8a4b252f9fba367e8745ae7c10.png||alt="J_C" class="tex" style="border-top-style: none; border-right-style: none; border-bottom-style: none; border-left-style: none; border-width: initial; border-color: initial; vertical-align: middle; "]] — известный момент инерции относительно оси, проходящей через центр масс тела,
16 : [[image:http://upload.wikimedia.org/wikipedia/ru/math/f/f/4/ff44570aca8241914870afbc310cdb85.png||alt="J" class="tex" style="border-top-style: none; border-right-style: none; border-bottom-style: none; border-left-style: none; border-width: initial; border-color: initial; vertical-align: middle; "]] — искомый момент инерции относительно параллельной оси,
17 : [[image:http://upload.wikimedia.org/wikipedia/ru/math/6/f/8/6f8f57715090da2632453988d9a1501b.png||alt="m" class="tex" style="border-top-style: none; border-right-style: none; border-bottom-style: none; border-left-style: none; border-width: initial; border-color: initial; vertical-align: middle; "]] — масса тела,
18 : (% style="font-size: 0.8em; font-style: normal; line-height: 1.5em; border-width: initial; border-color: initial" %)[[image:http://upload.wikimedia.org/wikipedia/ru/math/8/2/7/8277e0910d750195b448797616e091ad.png||alt="d" class="tex" style="border-top-style: none; border-right-style: none; border-bottom-style: none; border-left-style: none; border-width: initial; border-color: initial; vertical-align: middle; "]](% style="font-size: 0.8em; font-style: normal; line-height: 1.5em" %) — расстояние между указанными осями.(%%)\\
19
20 (((
21 (% style="font-size: 0.8em; font-style: normal; line-height: 1.5em" %)[[image:http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/1f/Parallelaxes.png]](%%)\\
22 )))
23
24 (((
25 (% style="background-image: none; background-attachment: initial; background-origin: initial; background-clip: initial; margin-top: 0px; margin-bottom: 0.6em; overflow-x: hidden; overflow-y: hidden; padding-top: 0.5em; padding-bottom: 0.17em; border-bottom-color: rgb(170, 170, 170); font-size: 19px; font-style: normal; line-height: 19px; " %)
26 = (% class="mw-headline" id=".D0.92.D1.8B.D0.B2.D0.BE.D0.B4" %)Вывод теоремы(%%) =
27
28 (% style="margin-top: 0.4em; margin-bottom: 0.5em; line-height: 19px; font-size: 13px; font-style: normal; " %)
29 Момент инерции, по определению:
30
31 (% style="margin-top: 0.2em; margin-bottom: 0.5em; font-size: 13px; font-style: normal; line-height: 19px; " %)
32 : [[image:http://upload.wikimedia.org/wikipedia/ru/math/6/4/f/64f5a51886af01ed7a5e57f6f47ecff6.png||alt="J=\sum_{i=1}^n m_i (\vec{r'}_i)^2\,\!" class="tex" style="border-top-style: none; border-right-style: none; border-bottom-style: none; border-left-style: none; border-width: initial; border-color: initial; vertical-align: middle; "]]
33
34 (% style="margin-top: 0.4em; margin-bottom: 0.5em; line-height: 19px; font-size: 13px; font-style: normal; " %)
35 [[Радиус-вектор>>url:http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A0%D0%B0%D0%B4%D0%B8%D1%83%D1%81-%D0%B2%D0%B5%D0%BA%D1%82%D0%BE%D1%80||style="color: rgb(11, 0, 128); background-image: none; background-attachment: initial; background-origin: initial; background-clip: initial; background-color: initial; " title="Радиус-вектор"]] [[image:http://upload.wikimedia.org/wikipedia/ru/math/d/0/f/d0f04edfafc1625b75eb45cc80dde838.png||alt="\vec{r'}_i\,\!" class="tex" style="border-top-style: none; border-right-style: none; border-bottom-style: none; border-left-style: none; border-width: initial; border-color: initial; vertical-align: middle; "]] можно расписать как разность двух векторов:
36
37 (% style="margin-top: 0.2em; margin-bottom: 0.5em; font-size: 13px; font-style: normal; line-height: 19px; " %)
38 : [[image:http://upload.wikimedia.org/wikipedia/ru/math/d/5/a/d5a9c26d5f23b7d82965b685867e005c.png||alt="\vec{r'}_i=\vec{r}_i-\vec{d}\,\!" class="tex" style="border-top-style: none; border-right-style: none; border-bottom-style: none; border-left-style: none; border-width: initial; border-color: initial; vertical-align: middle; "]],
39
40 (% style="margin-top: 0.4em; margin-bottom: 0.5em; line-height: 19px; font-size: 13px; font-style: normal; " %)
41 где [[image:http://upload.wikimedia.org/wikipedia/ru/math/c/5/2/c526b52340c52aba9613963c6d10c9d2.png||alt="\vec{d}" class="tex" style="border-top-style: none; border-right-style: none; border-bottom-style: none; border-left-style: none; border-width: initial; border-color: initial; vertical-align: middle; "]] — радиус-вектор расстояния между старой и новой осью вращения. Тогда выражение для момента инерции примет вид:
42
43 (% style="margin-top: 0.2em; margin-bottom: 0.5em; font-size: 13px; font-style: normal; line-height: 19px; " %)
44 : [[image:http://upload.wikimedia.org/wikipedia/ru/math/a/5/7/a57559d0148b612192ff674c3f2e2f38.png||alt="J=\sum_{i=1}^n m_i (\vec{r}_i)^2 - 2 \sum_{i=1}^n m_i \vec{r}_i \vec{d} + \sum_{i=1}^n m_i (\vec{d})^2\,\!" class="tex" style="border-top-style: none; border-right-style: none; border-bottom-style: none; border-left-style: none; border-width: initial; border-color: initial; vertical-align: middle; "]]
45
46 (% style="margin-top: 0.4em; margin-bottom: 0.5em; line-height: 19px; font-size: 13px; font-style: normal; " %)
47 Вынося за сумму [[image:http://upload.wikimedia.org/wikipedia/ru/math/c/5/2/c526b52340c52aba9613963c6d10c9d2.png||alt="\vec{d}" class="tex" style="border-top-style: none; border-right-style: none; border-bottom-style: none; border-left-style: none; border-width: initial; border-color: initial; vertical-align: middle; "]], получим:
48
49 (% style="margin-top: 0.2em; margin-bottom: 0.5em; font-size: 13px; font-style: normal; line-height: 19px; " %)
50 : [[image:http://upload.wikimedia.org/wikipedia/ru/math/1/a/6/1a677a49d7df483f1189af5bff66740a.png||alt="J=\sum_{i=1}^n m_i (\vec{r}_i)^2 - 2 \vec{d} \sum_{i=1}^n m_i \vec{r}_i + d^2 \sum_{i=1}^n m_i \,\!" class="tex" style="border-top-style: none; border-right-style: none; border-bottom-style: none; border-left-style: none; border-width: initial; border-color: initial; vertical-align: middle; "]]
51
52 (% style="margin-top: 0.4em; margin-bottom: 0.5em; line-height: 19px; font-size: 13px; font-style: normal; " %)
53 Поскольку старая ось проходит через центр масс, то суммарный импульс тела будет равен нулю:
54
55 (% style="margin-top: 0.2em; margin-bottom: 0.5em; font-size: 13px; font-style: normal; line-height: 19px; " %)
56 : [[image:http://upload.wikimedia.org/wikipedia/ru/math/e/3/8/e38dc5cdbf90eb8ae0851e6607552231.png||alt="\sum_{i=1}^n m_i \vec{r}_i=0\,\!" class="tex" style="border-top-style: none; border-right-style: none; border-bottom-style: none; border-left-style: none; border-width: initial; border-color: initial; vertical-align: middle; "]]
57
58 (% style="margin-top: 0.4em; margin-bottom: 0.5em; line-height: 19px; font-size: 13px; font-style: normal; " %)
59 Тогда:
60
61 (% style="margin-top: 0.2em; margin-bottom: 0.5em; font-size: 13px; font-style: normal; line-height: 19px; " %)
62 : [[image:http://upload.wikimedia.org/wikipedia/ru/math/b/d/b/bdbce399a396bd4a78768d0b0e8f0d4a.png||alt="J=\sum_{i=1}^n m_i (\vec{r}_i)^2 + d^2 \sum_{i=1}^n m_i \,\!" class="tex" style="border-top-style: none; border-right-style: none; border-bottom-style: none; border-left-style: none; border-width: initial; border-color: initial; vertical-align: middle; "]]
63
64 (% style="margin-top: 0.4em; margin-bottom: 0.5em; line-height: 19px; font-size: 13px; font-style: normal; " %)
65 Откуда и следует искомая формула:
66
67 (% style="margin-top: 0.2em; margin-bottom: 0.5em; font-size: 13px; font-style: normal; line-height: 19px; " %)
68 : [[image:http://upload.wikimedia.org/wikipedia/ru/math/9/1/1/9117af9ebd94a5e1466e855dc026e5a9.png||alt="J=J_C + m d^2\,\!" class="tex" style="border-top-style: none; border-right-style: none; border-bottom-style: none; border-left-style: none; border-width: initial; border-color: initial; vertical-align: middle; "]],
69
70 (% style="margin-top: 0.4em; margin-bottom: 0.5em; " %)
71 (% style="font-size: 0.8em; font-style: normal" %)где (% style="font-size: 0.8em; font-style: normal; border-width: initial; border-color: initial" %)[[image:http://upload.wikimedia.org/wikipedia/ru/math/9/1/1/91167a8a4b252f9fba367e8745ae7c10.png||alt="J_C" class="tex" style="border-top-style: none; border-right-style: none; border-bottom-style: none; border-left-style: none; border-width: initial; border-color: initial; vertical-align: middle; "]](% style="font-size: 0.8em; font-style: normal" %) — известный момент инерции относительно оси, проходящей через центр масс тела.
72
73 (% style="background-image: none; background-attachment: initial; background-origin: initial; background-clip: initial; margin-top: 0px; margin-bottom: 0.6em; overflow-x: hidden; overflow-y: hidden; padding-top: 0.5em; padding-bottom: 0.17em; border-bottom-color: rgb(170, 170, 170); font-size: 19px; font-style: normal; line-height: 19px; " %)
74 = (% class="mw-headline" id=".D0.9F.D1.80.D0.B8.D0.BC.D0.B5.D1.80" %)Пример применения(%%) =
75
76 Момент инерции стержня относительно оси, проходящей через его центр и перпендикулярной стержню, (назовём её осью [[image:http://upload.wikimedia.org/wikipedia/ru/math/0/d/6/0d61f8370cad1d412f80b84d143e1257.png||alt="C" class="tex" style="border-top-style: none; border-right-style: none; border-bottom-style: none; border-left-style: none; border-width: initial; border-color: initial; vertical-align: middle; "]]) равен
77
78 (% style="margin-top: 0.2em; margin-bottom: 0.5em; font-size: 13px; font-style: normal; line-height: 19px; " %)
79 : [[image:http://upload.wikimedia.org/wikipedia/ru/math/3/b/d/3bdddb6375cdd744d47e64949a1f990b.png||alt="J_C=\frac{mL^2}{12}." class="tex" style="border-top-style: none; border-right-style: none; border-bottom-style: none; border-left-style: none; border-width: initial; border-color: initial; vertical-align: middle; "]]
80
81 (% style="margin-top: 0.4em; margin-bottom: 0.5em; line-height: 19px; font-size: 13px; font-style: normal; " %)
82 Тогда согласно теореме Штейнера его момент относительно произвольной параллельной оси будет равен
83
84 (% style="margin-top: 0.2em; margin-bottom: 0.5em; font-size: 13px; font-style: normal; line-height: 19px; " %)
85 : [[image:http://upload.wikimedia.org/wikipedia/ru/math/9/1/1/9117af9ebd94a5e1466e855dc026e5a9.png||alt="J=J_C+md^2\,\!" class="tex" style="border-top-style: none; border-right-style: none; border-bottom-style: none; border-left-style: none; border-width: initial; border-color: initial; vertical-align: middle; "]]
86
87 (% style="margin-top: 0.4em; margin-bottom: 0.5em; line-height: 19px; font-size: 13px; font-style: normal; " %)
88 где [[image:http://upload.wikimedia.org/wikipedia/ru/math/8/2/7/8277e0910d750195b448797616e091ad.png||alt="d" class="tex" style="border-top-style: none; border-right-style: none; border-bottom-style: none; border-left-style: none; border-width: initial; border-color: initial; vertical-align: middle; "]] — расстояние между искомой осью и осью [[image:http://upload.wikimedia.org/wikipedia/ru/math/0/d/6/0d61f8370cad1d412f80b84d143e1257.png||alt="C" class="tex" style="border-top-style: none; border-right-style: none; border-bottom-style: none; border-left-style: none; border-width: initial; border-color: initial; vertical-align: middle; "]]. В частности, момент инерции стержня относительно оси, проходящей через его конец и перпендикулярной стержню, можно найти положив в последней формуле [[image:http://upload.wikimedia.org/wikipedia/ru/math/5/8/2/582af9b0316d6adb1f4b42b907198df7.png||alt="d=L/2" class="tex" style="border-top-style: none; border-right-style: none; border-bottom-style: none; border-left-style: none; border-width: initial; border-color: initial; vertical-align: middle; "]]:
89
90 (% style="margin-top: 0.2em; margin-bottom: 0.5em; " %)
91 : (% style="font-size: 0.8em; font-style: normal; line-height: 1.5em; border-width: initial; border-color: initial" %)[[image:http://upload.wikimedia.org/wikipedia/ru/math/c/5/1/c51c50b6c7c00a2392a7bed71fcef9f3.png||alt="J=J_C+m\left(\frac{L}{2}\right)^2=\frac{mL^2}{12}+\frac{mL^2}{4}=\frac{mL^2}{3}." class="tex" style="border-top-style: none; border-right-style: none; border-bottom-style: none; border-left-style: none; border-width: initial; border-color: initial; vertical-align: middle; "]]
92
93 (% style="background-image: none; background-attachment: initial; background-origin: initial; background-clip: initial; margin-top: 0px; margin-bottom: 0.6em; overflow-x: hidden; overflow-y: hidden; padding-top: 0.5em; padding-bottom: 0.17em; border-bottom-color: rgb(170, 170, 170); font-size: 19px; font-style: normal; line-height: 19px; " %)
94 = (% class="mw-headline" id=".D0.9F.D0.B5.D1.80.D0.B5.D1.81.D1.87.D1.91.D1.82_.D1.82.D0.B5.D0.BD.D0.B7.D0.BE.D1.80.D0.B0_.D0.B8.D0.BD.D0.B5.D1.80.D1.86.D0.B8.D0.B8" %)Пересчёт тензора инерции(%%) =
95
96 Теорема Гюйнеса — Штейнера допускает обобщение на [[тензор момента инерции>>url:http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%BE%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D1%82_%D0%B8%D0%BD%D0%B5%D1%80%D1%86%D0%B8%D0%B8#.D0.A2.D0.B5.D0.BD.D0.B7.D0.BE.D1.80_.D0.B8.D0.BD.D0.B5.D1.80.D1.86.D0.B8.D0.B8_.D0.B8_.D1.8D.D0.BB.D0.BB.D0.B8.D0.BF.D1.81.D0.BE.D0.B8.D0.B4_.D0.B8.D0.BD.D0.B5.D1.80.D1.86.D0.B8.D0.B8||style="color: rgb(11, 0, 128); background-image: none; background-attachment: initial; background-origin: initial; background-clip: initial; background-color: initial; " title="Момент инерции"]], что позволяет получать тензор [[image:http://upload.wikimedia.org/wikipedia/ru/math/1/4/8/148b50bf6d5513b29aae0d40ac3afc23.png||alt="\mathbf{J}_{ij}" class="tex" style="border-top-style: none; border-right-style: none; border-bottom-style: none; border-left-style: none; border-width: initial; border-color: initial; vertical-align: middle; "]] относительно произвольной точки из тензора [[image:http://upload.wikimedia.org/wikipedia/ru/math/f/4/8/f489e1cdf06ebae9094cfc5e1b5ba5c8.png||alt="\mathbf{I}_{ij}" class="tex" style="border-top-style: none; border-right-style: none; border-bottom-style: none; border-left-style: none; border-width: initial; border-color: initial; vertical-align: middle; "]] относительно центра масс. Пусть [[image:http://upload.wikimedia.org/wikipedia/ru/math/9/6/2/96240005f727f48c913c671d4c329c43.png||alt="\mathbf{a}" class="tex" style="border-top-style: none; border-right-style: none; border-bottom-style: none; border-left-style: none; border-width: initial; border-color: initial; vertical-align: middle; "]] — смещение от центра масс, тогда
97
98 (% style="margin-top: 0.2em; margin-bottom: 0.5em; font-size: 13px; font-style: normal; line-height: 19px; " %)
99 : \\
100 :: [[image:http://upload.wikimedia.org/wikipedia/ru/math/3/9/d/39d9e4728e145ead514c8aa30341497c.png||alt="\mathbf{J}_{ij}=\mathbf{I}_{ij}+m(a^2\delta_{ij}-a_ia_j)," class="tex" style="border-top-style: none; border-right-style: none; border-bottom-style: none; border-left-style: none; border-width: initial; border-color: initial; vertical-align: middle; "]]
101
102 (% style="margin-top: 0.4em; margin-bottom: 0.5em; line-height: 19px; font-size: 13px; font-style: normal; " %)
103 где
104
105 (% style="margin-top: 0.2em; margin-bottom: 0.5em; font-size: 13px; font-style: normal; line-height: 19px; " %)
106 : \\
107 :: [[image:http://upload.wikimedia.org/wikipedia/ru/math/8/b/9/8b9748fd30aa226abd3d9ab67ae10c96.png||alt="\mathbf{a}=a_1\mathbf{\hat{x}}+a_2\mathbf{\hat{y}}+a_3\mathbf{\hat{z}}" class="tex" style="border-top-style: none; border-right-style: none; border-bottom-style: none; border-left-style: none; border-width: initial; border-color: initial; vertical-align: middle; "]] — вектор смещения от центра масс, а [[image:http://upload.wikimedia.org/wikipedia/ru/math/0/3/4/0345354c195713650c0b66ebdedd7a33.png||alt="\delta_{ij}" class="tex" style="border-top-style: none; border-right-style: none; border-bottom-style: none; border-left-style: none; border-width: initial; border-color: initial; vertical-align: middle; "]] — [[символ Кронекера>>url:http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%B8%D0%BC%D0%B2%D0%BE%D0%BB_%D0%9A%D1%80%D0%BE%D0%BD%D0%B5%D0%BA%D0%B5%D1%80%D0%B0||style="color: rgb(11, 0, 128); background-image: none; background-attachment: initial; background-origin: initial; background-clip: initial; background-color: initial; " title="Символ Кронекера"]].
108
109 (% style="margin-top: 0.4em; margin-bottom: 0.5em; " %)
110 (% style="font-size: 0.8em; font-style: normal" %)Как видно, для диагональных элементов тензора (при (% style="font-size: 0.8em; font-style: normal; border-width: initial; border-color: initial" %)[[image:http://upload.wikimedia.org/wikipedia/ru/math/6/2/7/627d981a4b082e7396585b995ef51925.png||alt="i=j" class="tex" style="border-top-style: none; border-right-style: none; border-bottom-style: none; border-left-style: none; border-width: initial; border-color: initial; vertical-align: middle; "]](% style="font-size: 0.8em; font-style: normal" %)) формула имеет вид теоремы Гюйгенса — Штейнера для момента относительно новой оси.
111
112
113
114 = (% style="font-style: normal" %)Посилання(%%) =
115
116 1. (% style="font-style: normal" %)Википедия - свободная энциклопедия [[ru.wikipedia.org>>url:http://ru.wikipedia.org]]
117
118 = Автор =
119
120 Автор: Сова Е.О. (2-ТМ-55)\\
121 )))