垂直軸定理
在物理學裏,垂直軸定理(也叫「正交軸定理」)可以用來計算一片薄片的轉動慣量。思考一個直角座標系,其中兩個座標軸都包含與平行於此薄片;如果已知此薄片對於這兩個座標軸的轉動慣量,則垂直軸定則可以用來計算薄片對於第三個座標軸的轉動慣量。
假設OXYZ座標系統的 X-軸與 Y-軸都包含與平行於此薄片,而 Z-軸垂直於薄片的面。 與 分別代表薄片對於 X-軸與 Y-軸的轉動慣量.那麼,薄片對於 Z-軸的轉動慣量為
- 。
導引
編輯任何實際存在的剛體都有厚度;不可能有零厚度的剛體。參考右圖,假設這剛體是一塊很薄的薄片,厚度 是均勻的,密度也是均勻的。設定薄片的面與 XY-面共平面。那麼,剛體對於 X-軸、Y-軸、與 Z-軸的轉動慣量分別為
- 、
- 、
- 。
由於厚度超小於薄片的面尺寸,我們可以忽略 對於積分的貢獻.因此,
- 、
- 。
所以,
- 。
實例
編輯a) 如右圖,一個半徑為 ,質量為 的薄圓盤,對於 Z-軸的轉動慣量為
- 。
所以,對於X-軸與 Y-軸的轉動慣量是
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b) 如右圖,一個尺寸為 ,質量為 的長方形薄片,對於 X-軸、Y-軸、與 Z-軸的轉動慣量分別為
- 、
- 、
- 。
很明顯地,
- 。
參考文獻
編輯- 程稼夫. 中学奥林匹克竞赛物理教程.力学篇 第2版. 中國科技大學出版社. 2013: 281. ISBN 978-7-312-03193-9 (中文(中國大陸)).