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薄圆柱体与圆环转动动能计算

(2014-04-26 15:33:19)
标签:

圆柱体

圆环

转动动能

转动惯量

动能

教育

分类: 学习

一个薄圆柱体在沿圆轴心转动时,其转动能量是多少,转动惯量是多少?这个大学里学习的动力学公式好长时间没有用了,如何计算就变得困难了。但是脑子里对于计算动能的公式还是会的,也知道利用惯量计算动能的公式。计算动能的公式很简单,应该是E=1/2mv^2,由转动惯量计算动能的公式是E=1/2Iω^2,也就是说这两个公式很相似,记起来也相当方便。由这两个公式,加上v=ωr,可推导出转动惯量的计算公式为I=mr^2。

回过头来看薄圆柱体的转动能量,设圆盘上离圆心距离为r的圆环,高度为h,环的厚度为dr(微分),那么这个圆环的体积V=2πr*h*dr,微分质量就是dm=ρV=ρ*2πr*h*dr。下面通过E=1/2mv^2得到,圆柱转动能量的微分为dE=1/2*dm*(ωr)^2=1/2*ρ*2πr*h*dr*(ωr)^2。接下来,对r从0-R积分,可得到圆柱转动能量E=1/4*πρhω^2R^4,由于圆盘质量为M,M=ρπR^2h,因此可得圆柱转动能量E=1/4*M*ω^2*r^2,写成动能格式,与转动惯量公式进行比较,可得到圆盘对圆心轴的转动惯量为I=1/2MR^2。

当然如果计算像自行车轮胎一下的圆环的转动惯量,会发现,其转动惯量比薄圆柱的大一倍,当然转动能量也会大上一倍。也就是说同样质量的两个圆形物体,外直径相同,以同样的转速转动时,圆轮比圆盘的转动动能更大,要想让它停下来,会更加困难。

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