惯性半径与转动惯量的关系与回转轴有什么关系？

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2022-11-03 12:34 标签： 惯性半径与转动惯量的关系

火烈鸟经常以一条腿站立，而另一条腿提起来，长腿增加了转动惯量吗？就它的站立腿而言，你能说出鸟的质心在什么地方吗？

转动惯量(Moment of Inertia)是刚体绕轴转动时惯性（回转物体保持其匀速圆周运动或静止的特性）的量度，用字母I或J表示。转动惯量在旋转动力学中的角色相当于线性动力学中的质量，可形式地理解为一个物体对于旋转运动的惯性，用于建立角动量、角速度、力矩和角加速度等数个量之间的关系。

转动惯量严格来说是一个张量，必须从张量的角度对其进行定义。出于简单的角度考虑，这里仅给出绕质心的转动惯量张量的定义及其在力矩中的表达.

设有一个刚体A,其质心为C,刚体A绕其质心C的转动惯量张量定义为Jc，则Jc=∫ρ(r●rδ-rr)dV。该积分遍及整个刚体A，且，

设刚体A所受到的绕其质心C的合力矩矢量为ΣMc，刚体A在惯性系下的角速度矢量为ω，角加速度矢量为α，A绕其质心的转动惯量张量为Jc，则有如下的力矩方程：

将上面的矢量形式的力矩方程向各个坐标轴投影（或者，更确切地说，与各个坐标轴的单位方向矢量相点乘），就可以获得各个坐标轴分量方向的标量形式的力矩方程。

转动惯量张量Jc是一个二阶张量，虽然在标架(C;e_1，e_2，e_3)下它有九个分量，但是因为它是一个对称张量，故其实际独立的分量只有六个。

若有任一轴与过质心的轴平行，且该轴与过质心的轴相距为d，刚体对其转动惯量为J，则有：

其中Jc表示相对通过质心的轴的转动惯量

这个定理称为平行轴定理

一个物体以角速度ω绕固定轴z轴的转动同样可以视为以同样的角速度绕平行于z轴且通过质心的固定轴的转动。也就是说，绕z轴的转动等同于绕过质心的平行轴的转动与质心的转动的叠加

还有垂直轴定理：垂直轴定理

一个平面刚体薄板对于垂直它的平面的轴的转动惯量，等于绕平面内与垂直轴相交的任意两正交轴的转动惯量之和。

刚体对一轴的转动惯量，可折算成质量等于刚体质量的单个质点对该轴所形成的转动惯量。由此折算所得的质点到转轴的距离 ，称为刚体绕该轴的回转半径κ，其为 I=MK^2，式中M为刚体质量；I为转动惯量。

转动惯量的量纲为L^2M，在SI单位制中，它的单位是kg·m^2。

刚体绕某一点转动的惯性由更普遍的惯量张量描述。惯量张量是二阶对称张量，它完整地刻画出刚体绕通过该点任一轴的转动惯量的大小。

转动惯量的详细解释及其意义：

先说转动惯量的由来，先从动能说起大家都知道动能E=（1/2）mv^2，而且动能的实际意义是：物体相对某个系统（选定一个参考系）运动的实际能量，（P势能实际意义则是物体相对某个系统运动的可能转化为运动的实际能量的大小）。

把v=wr代入上式 （w是角速度，r是半径，在这里对任何物体来说是把物体微分化分为无数个质点，质点与运动整体的重心的距离为r，而再把不同质点积分化得到实际等效的r）

由于某一个对象物体在运动当中的本身属性m和r都是不变的，所以把关于m、r的变量用一个变量K代替，

K就是转动惯量，分析实际况中的作用相当于牛顿运动平动分析中的质量的作用，都是一般不轻易变的量。

这样分析一个转动问题就可以用能量的角度分析了，而不必拘泥于只从纯运动角度分析转动问题。

1.E=（1/2）Kw^2本身代表研究对象的运动能量

2.之所以用E=（1/2）mv^2不好分析转动物体的问题，是因为其中不包含转动物体的任何转动信息。

3.E=（1/2）mv^2除了不包含转动信息，而且还不包含体现局部运动的信息，因为里面的速度v只代表那个物体的质心运动况。

4.E=（1/2）Kw^2之所以利于分析，是因为包含了一个物体的所有转动信息，因为转动惯量K=mr^2本身就是一种积分得到的数，更细一些讲就是综合了转动物体的转动不变的信息的等效结果K=∑ mr^2 （这里的K和上面的J一样）

所以，就是因为发现了转动惯量，从能量的角度分析转动问题，就有了价值。

若刚体的质量是连续分布的，则转动惯量的计算公式可写成K=∑ mr^2=∫r^2dm=∫r^2σdV

其中dV表示dm的体积元，σ表示该处的密度，r表示该体积元到转轴的距离。

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