10种常见刚体转动惯量公式

教育知识 2026-02-12 13:02:21 季黛瑾

10种常见刚体转动惯量公式】在物理学中,转动惯量是描述物体抵抗旋转运动能力的物理量,其大小与物体的质量分布和转轴位置密切相关。掌握常见的刚体转动惯量公式,有助于更好地理解和分析力学问题。以下是10种常见刚体的转动惯量公式总结。

一、

转动惯量(Moment of Inertia)通常用符号 $ I $ 表示,单位为千克·平方米(kg·m²)。对于不同的几何形状和转轴位置,转动惯量的计算公式也各不相同。以下列出的是几种常见刚体绕特定轴的转动惯量,包括质心轴和偏心轴两种情况。

在实际应用中,转动惯量的计算需要考虑转轴的位置,例如绕通过质心的轴或偏离质心的轴。根据平行轴定理,若已知物体绕质心的转动惯量 $ I_{\text{cm}} $,则绕距离为 $ d $ 的平行轴的转动惯量为:

$$

I = I_{\text{cm}} + md^2

$$

其中,$ m $ 是物体质量,$ d $ 是两轴之间的距离。

二、表格:10种常见刚体转动惯量公式

序号 刚体形状 转轴位置 转动惯量公式 说明
1 细杆(绕中点) 垂直于杆并通过中心 $ I = \frac{1}{12}mL^2 $ L 为杆长
2 细杆(绕端点) 垂直于杆并通过一端 $ I = \frac{1}{3}mL^2 $ L 为杆长
3 实心圆柱体(绕中心轴) 通过中心且垂直于底面 $ I = \frac{1}{2}mR^2 $ R 为半径
4 空心圆柱体(绕中心轴) 通过中心且垂直于底面 $ I = mR^2 $ R 为半径
5 实心球体 通过质心 $ I = \frac{2}{5}mR^2 $ R 为半径
6 空心球壳 通过质心 $ I = \frac{2}{3}mR^2 $ R 为半径
7 薄圆环(绕中心轴) 通过中心且垂直于平面 $ I = mR^2 $ R 为半径
8 薄圆盘(绕中心轴) 通过中心且垂直于平面 $ I = \frac{1}{2}mR^2 $ R 为半径
9 长方体(绕质心轴) 通过质心且垂直于表面 $ I = \frac{1}{12}m(a^2 + b^2) $ a、b 为边长
10 圆锥体(绕对称轴) 通过顶点且沿对称轴 $ I = \frac{3}{10}mR^2 $ R 为底面半径

三、结语

以上是10种常见刚体的转动惯量公式,涵盖了从细杆、圆柱体到球体等多种典型结构。在学习或应用过程中,理解这些公式的物理意义和适用条件非常重要。此外,结合平行轴定理,可以灵活应对不同转轴下的转动惯量计算问题,提升对刚体动力学的理解和应用能力。

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