转动惯量(Moment of Inertia)是刚体绕轴转动时惯性的量度,通常用符号 $I$ 或 $J$ 表示,国际单位制(SI)单位为千克·米²(kg·m²)。对于一个质点,转动惯量的计算公式为:
$$I = mr^2$$
其中:
$m$ 是质点的质量,
$r$ 是质点到转轴的垂直距离。
对于连续质量分布的刚体,转动惯量的计算公式可以写成:
$$I = \int r^2 \, dm = \int r^2 \rho \, dV$$
其中:
$m_i$ 是刚体某个质元的质量,
$r_i$ 是该质元到转轴的垂直距离,
$\rho$ 是该处的密度,
求和号(或积分号)遍及整个刚体。
此外,对于特定形状的刚体,如细杆、圆柱体和细圆环,还有一些特定的转动惯量计算公式:
细杆
当回转轴过杆的中点(质心)并垂直于杆时,$I = \frac{mL^2}{12}$,其中 $m$ 是杆的质量,$L$ 是杆的长度。
当回转轴过杆的端点并垂直于杆时,$I = \frac{mL^2}{3}$。
圆柱体
当回转轴是圆柱体轴线时,$I = \frac{mr^2}{2}$,其中 $m$ 是圆柱体的质量,$r$ 是圆柱体的半径。
细圆环
当回转轴通过环心且与环面垂直时,$I = mR^2$,其中 $m$ 是圆环的质量,$R$ 是圆环的半径。
当回转轴通过环边缘且与环面垂直时,$I = 2mR^2$。
当回转轴沿环的某一直径且与环面垂直时,$I = \frac{mR^2}{2}$,其中 $R$ 是圆环的半径。
这些公式可以帮助在不同情况下计算刚体的转动惯量。