Геометриче�кие характери�тики поперчных �ечений
Îñíîâû êîíñòðóèðîâàíèÿ ïðèáîðîâ
Ðåôåðàò ïî òåìå
Ãåîìåòðè÷åñêèå õàðàêòåðèñòèêè ïîïåðå÷íûõ ñå÷åíèé
Ñòóäåíòà ãðóïïû ÈÓ 3-32
Êîíäðàòîâà Íèêîëàÿ
Ñòàòè÷åñêèå ìîìåíòû ñå÷åíèÿ
Âîçüìåì íåêîòîðîå ïîïåðå÷íîå ñå÷åíèå áðóñà (ðèñ. 1). Ñâÿæåì åãî ñ
ñèñòåìîé êîîðäèíàò õ, ó è ðàññìîòðèì äâà ñëåäóþùèõ èíòåãðàëà:
Ðèñ. 1
(1)
ãäå èíäåêñ F ó çíàêà èíòåãðàëà óêàçûâàåò íà òî, ÷òî èíòåãðèðîâàíèå
âåäåòñÿ ïî âñåé ïëîùàäè ñå÷åíèÿ. Êàæäûé èç èíòåãðàëîâ ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé
ñóììó ïðîèçâåäåíèé, ýëåìåíòàðíûõ ïëîùàäîê dF íà ðàññòîÿíèå äî
ñîîòâåòñòâóþùåé îñè (õ èëè ó). Ïåðâûé èíòåãðàë íàçûâàåòñÿ ñòàòè÷åñêèì
ìîìåíòîì ñå÷åíèÿ îòíîñèòåëüíî îñè õ, à âòîðîé — îòíîñèòåëüíî îñè ó.
Ðàçìåðíîñòü ñòàòè÷åñêîãî ìîìåíòà ñì3. Ïðè ïàðàëëåëüíîì ïåðåíîñå îñåé
âåëè÷èíû ñòàòè÷åñêèõ ìîìåíòîâ ìåíÿþòñÿ. Ðàññìîòðèì äâå ïàðû ïàðàëëåëüíûõ
îñåé, x1, y1 è x2, y2.Ïóñòü ðàññòîÿíèå ìåæäó îñÿìè x1 è x2 ðàâíî b, à
ìåæäó îñÿìè y2 è y2 ðàâíî à (ðèñ. 2). Ïîëîæèì, ÷òî ïëîùàäü ñå÷åíèÿ F è
ñòàòè÷åñêèå ìîìåíòû îòíîñèòåëüíî îñåé x1 è y1, ò. å. Sx1, è Sy1 çàäàíû.
Òðåáóåòñÿ îïðåäåëèòü Sx2 è Sy2.
Î÷åâèäíî, õ2 = x1 — à, y2 = y1 — b. Èñêîìûå ñòàòè÷åñêèå ìîìåíòû áóäóò
ðàâíû
èëè
Òàêèì îáðàçîì, ïðè ïàðàëëåëüíîì ïåðåíîñå îñåé ñòàòè÷åñêèé ìîìåíò
ìåíÿåòñÿ íà âåëè÷èíó, ðàâíóþ ïðîèçâåäåíèþ ïëîùàäè F íà ðàññòîÿíèå ìåæäó
îñÿìè.
Ðàññìîòðèì áîëåå äåòàëüíî, íàïðèìåð, ïåðâîå èç ïîëó÷åííûõ âûðàæåíèé:
Âåëè÷èíà b ìîæåò áûòü ëþáîé: êàê ïîëîæèòåëüíîé, òàê è îòðèöàòåëüíîé.
Ïîýòîìó åå âñåãäà ìîæíî ïîäîáðàòü (ïðè÷åì åäèíñòâåííûì îáðàçîì) òàê,
÷òîáû ïðîèçâåäåíèå bF áûëî ðàâíî Sx1.Òîãäà ñòàòè÷åñêèé ìîìåíò Sx2,
îòíîñèòåëüíî îñè x2 îáðàùàåòñÿ â íóëü.
Îñü, îòíîñèòåëüíî êîòîðîé ñòàòè÷åñêèé ìîìåíò ðàâåí íóëþ, íàçûâàåòñÿ
öåíòðàëüíîé. Ñðåäè ñåìåéñòâà ïàðàëëåëüíûõ îñåé îíà ÿâëÿåòñÿ
åäèíñòâåííîé, è ðàññòîÿíèå äî ýòîé îñè îò íåêîòîðîé, ïðîèçâîëüíî âçÿòîé,
îñè õ1 ðàâíî
Ðèñ. 2
Àíàëîãè÷íî äëÿ äðóãîãî ñåìåéñòâà ïàðàëëåëüíûõ îñåé
Òî÷êà ïåðåñå÷åíèÿ öåíòðàëüíûõ îñåé íàçûâàåòñÿ öåíòðîì òÿæåñòè ñå÷åíèÿ.
Ïóòåì ïîâîðîòà îñåé ìîæíî ïîêàçàòü, ÷òî ñòàòè÷åñêèé ìîìåíò îòíîñèòåëüíî
ëþáîé îñè, ïðîõîäÿùåé ÷åðåç öåíòð òÿæåñòè, ðàâåí íóëþ.
Íåòðóäíî óñòàíîâèòü òîæäåñòâåííîñòü äàííîãî îïðåäåëåíèÿ è îáû÷íîãî
îïðåäåëåíèÿ öåíòðà òÿæåñòè êàê òî÷êè ïðèëîæåíèÿ ðàâíîäåéñòâóþùèõ ñèë
âåñà. Åñëè óïîäîáèòü ðàññìîòðåííîå ñå÷åíèå îäíîðîäíîé ïëàñòèíêå, òî ñèëà
âåñà ïëàñòèíêè âî âñåõ òî÷êàõ áóäåò ïðîïîðöèîíàëüíà ýëåìåíòàðíîé ïëîùàäè
dF, à ìîìåíò ñèë âåñà îòíîñèòåëüíî íåêîòîðîé îñè — ïðîïîðöèîíàëåí
ñòàòè÷åñêîìó ìîìåíòó. Ýòîò ìîìåíò ñèë âåñà îòíîñèòåëüíî îñè, ïðîõîäÿùåé
÷åðåç öåíòð òÿæåñòè, ðàâåí íóëþ.  íóëü îáðàùàåòñÿ, ñëåäîâàòåëüíî, è
ñòàòè÷åñêèé ìîìåíò îòíîñèòåëüíî öåíòðàëüíîé îñè.
Ìîìåíòû èíåðöèè ñå÷åíèÿ
 äîïîëíåíèå ê ñòàòè÷åñêèì ìîìåíòàì ðàññìîòðèì åùå òðè ñëåäóþùèõ
èíòåãðàëà:
(2)
×åðåç õ è ó îáîçíà÷åíû òåêóùèå êîîðäèíàòû ýëåìåíòàðíîé ïëîùàäêè dF â
ïðîèçâîëüíî âçÿòîé ñèñòåìå êîîðäèíàò õ, y. Ïåðâûå äâà èíòåãðàëà
íàçûâàþòñÿ îñåâûìè ìîìåíòàìè èíåðöèè ñå÷åíèÿ îòíîñèòåëüíî îñåé õ è y
ñîîòâåòñòâåííî. Òðåòèé èíòåãðàë íàçûâàåòñÿ öåíòðîáåæíûì ìîìåíòîì èíåðöèè
ñå÷åíèÿ îòíîñèòåëüíî îñåé õ, ó. Ðàçìåðíîñòü ìîìåíòîâ èíåðöèè ñì4.
Îñåâûå ìîìåíòû èíåðöèè âñåãäà ïîëîæèòåëüíû, ïîñêîëüêó ïîëîæèòåëüíîé
ñ÷èòàåòñÿ ïëîùàäü dF. Öåíòðîáåæíûé ìîìåíò èíåðöèè ìîæåò áûòü êàê
ïîëîæèòåëüíûì, òàê è îòðèöàòåëüíûì, â çàâèñèìîñòè îò ðàñïîëîæåíèÿ
ñå÷åíèÿ îòíîñèòåëüíî îñåé õ, ó.
Âûâåäåì ôîðìóëû ïðåîáðàçîâàíèÿ ìîìåíòîâ èíåðöèè ïðè ïàðàëëåëüíîì
ïåðåíîñå îñåé. Áóäåì ñ÷èòàòü, ÷òî íàì çàäàíû ìîìåíòû èíåðöèè è
ñòàòè÷åñêèå ìîìåíòû îòíîñèòåëüíî îñåé õ1 è y1. Òðåáóåòñÿ îïðåäåëèòü
ìîìåíòû èíåðöèè îòíîñèòåëüíî îñåé x2 è y2
(3)
Ïîäñòàâëÿÿ ñþäà õ2 = x1 — à è y2 = y1 — b è ðàñêðûâàÿ ñêîáêè (ñîãëàñíî
(1) è (2)) íàõîäèì
Åñëè îñè x1 è y1 — öåíòðàëüíûå, òî Sx1 = Sy1 = 0. Òîãäà
(4)
Ñëåäîâàòåëüíî, ïðè ïàðàëëåëüíîì ïåðåíîñå îñåé (åñëè îäíà èç îñåé —
öåíòðàëüíàÿ) îñåâûå ìîìåíòû èíåðöèè ìåíÿþòñÿ íà âåëè÷èíó, ðàâíóþ
ïðîèçâåäåíèþ ïëîùàäè íà êâàäðàò ðàññòîÿíèÿ ìåæäó îñÿìè.
Èç ïåðâûõ äâóõ ôîðìóë (4) ñëåäóåò, ÷òî â ñåìåéñòâå ïàðàëëåëüíûõ îñåé
ìèíèìàëüíûé ìîìåíò èíåðöèè ïîëó÷àåòñÿ îòíîñèòåëüíî öåíòðàëüíîé îñè (à =
0 èëè Ü = 0). Ïîýòîìó ëåãêî çàïîìíèòü, ÷òî ïðè ïåðåõîäå îò öåíòðàëüíûõ
îñåé ê íåöåíòðàëüíûì îñåâûå ìîìåíòû èíåðöèè óâåëè÷èâàþòñÿ è âåëè÷èíû a2F
è b2F ñëåäóåò ê ìîìåíòàì èíåðöèè ïðèáàâëÿòü, à ïðè ïåðåõîäå îò
íåöåíòðàëüíûõ îñåé ê öåíòðàëüíûì — âû÷èòàòü.
Ïðè îïðåäåëåíèè öåíòðîáåæíîãî ìîìåíòà èíåðöèè ïî ôîðìóëàì (4) ñëåäóåò
ó÷èòûâàòü çíàê âåëè÷èí à è b. Ìîæíî, îäíàêî, è ñðàçó óñòàíîâèòü, â êàêóþ
ñòîðîíó ìåíÿåòñÿ âåëè÷èíà Jxy ïðè ïàðàëëåëüíîì ïåðåíîñå îñåé. Äëÿ ýòîãî
ñëåäóåò èìåòü â âèäó, ÷òî ÷àñòü ïëîùàäè, íàõîäÿùàÿñÿ â I è III
êâàäðàíòàõ ñèñòåìû êîîðäèíàò x1y1, äàåò ïîëîæèòåëüíîå çíà÷åíèå
öåíòðîáåæíîãî ìîìåíòà, à ÷àñòè, íàõîäÿùèåñÿ â II è IV êâàäðàíòàõ, äàþò
îòðèöàòåëüíûå çíà÷åíèÿ. Ïîýòîìó ïðè ïåðåíîñå îñåé ïðîùå âñåãî
óñòàíàâëèâàòü çíàê ñëàãàåìîãî abF â ñîîòâåòñòâèè ñ òåì, êàêèå èç ÷åòûðåõ
ñëàãàåìûõ ïëîùàäåé óâåëè÷èâàþòñÿ è êàêèå — óìåíüøàþòñÿ.
ÃËÀÂÍÛÅ ÎÑÈ È ÃËÀÂÍÛÅ ÌÎÌÅÍÒÛ ÈÍÅÐÖÈÈ
Ðèñ. 3
Ïîñìîòðèì, êàê èçìåíÿþòñÿ ìîìåíòû èíåðöèè ïðè ïîâîðîòå îñåé êîîðäèíàò.
Ïîëîæèì, äàíû ìîìåíòû èíåðöèè íåêîòîðîãî ñå÷åíèÿ îòíîñèòåëüíî îñåé õ, ó
(íå îáÿçàòåëüíî öåíòðàëüíûõ). Òðåáóåòñÿ îïðåäåëèòü Ju, Jv, Juv —
ìîìåíòû èíåðöèè îòíîñèòåëüíî îñåé è, v, ïîâåðíóòûõ îòíîñèòåëüíî ïåðâîé
ñèñòåìû íà óãîë ( (ðèñ. 3).
Ïðîåêòèðóåì çàìêíóòûé ÷åòûðåõóãîëüíèê ÎÀÂÑÎ íà îñè è è v. Òàê êàê
ïðîåêöèÿ ëîìàíîé ëèíèè ðàâíà ïðîåêöèè çàìûêàþùåé, íàõîäèì:
u = y sin ( +x cos (, v = y cos ( — x sin (
 âûðàæåíèÿõ (3), ïîäñòàâèâ âìåñòî x1 è y1 ñîîòâåòñòâåííî u è v,
èñêëþ÷àåì u è v
îòêóäà
(5)
Ðàññìîòðèì äâà ïåðâûõ óðàâíåíèÿ. Ñêëàäûâàÿ èõ ïî÷ëåííî, ïîëó÷èì, ÷òî
ñóììà îñåâûõ ìîìåíòîâ èíåðöèè îòíîñèòåëüíî äâóõ âçàèìíî ïåðïåíäèêóëÿðíûõ
îñåé íå çàâèñèò îò óãëà ( è ïðè ïîâîðîòå îñåé îñòàåòñÿ ïîñòîÿííîé. Ïðè
ýòîì
x2 + y2 = (2
ãäå ( — ðàññòîÿíèå îò íà÷àëà êîîðäèíàò äî ýëåìåíòàðíîé ïëîùàäêè (ðèñ.
3). Òàêèì îáðàçîì,
Jx + Jy = Jp
ãäå Jp— ïîëÿðíûé ìîìåíò èíåðöèè
âåëè÷èíà êîòîðîãî, åñòåñòâåííî, íå çàâèñèò îò ïîâîðîòà îñåé õó.
Ñ èçìåíåíèåì óãëà ïîâîðîòà îñåé ( êàæäàÿ èç âåëè÷èí Ju è Jv ìåíÿåòñÿ, à
ñóììà èõ îñòàåòñÿ íåèçìåííîé. Ñëåäîâàòåëüíî, ñóùåñòâóåò òàêîå (, ïðè
êîòîðîì îäèí èç ìîìåíòîâ èíåðöèè äîñòèãàåò ñâîåãî ìàêñèìàëüíîãî
çíà÷åíèÿ, â òî âðåìÿ êàê äðóãîé ìîìåíò èíåðöèè ïðèíèìàåò ìèíèìàëüíîå
çíà÷åíèå.
Äèôôåðåíöèðóÿ âûðàæåíèå Ju (5) ïî ( è ïðèðàâíèâàÿ ïðîèçâîäíóþ íóëþ,
íàõîäèì
(6)
Ïðè ýòîì çíà÷åíèè óãëà ( îäèí èç îñåâûõ ìîìåíòîâ áóäåò íàèáîëüøèì, à
äðóãîé — íàèìåíüøèì. Îäíîâðåìåííî öåíòðîáåæíûé ìîìåíò èíåðöèè Juv ïðè
óêàçàííîì óãëå ( îáðàùàåòñÿ â íóëü, ÷òî ëåãêî óñòàíàâëèâàåòñÿ èç
òðåòüåé ôîðìóëû (5).
Îñè, îòíîñèòåëüíî êîòîðûõ öåíòðîáåæíûé ìîìåíò èíåðöèè ðàâåí íóëþ, à
îñåâûå ìîìåíòû ïðèíèìàþò ýêñòðåìàëüíûå çíà÷åíèÿ, íàçûâàþòñÿ ãëàâíûìè
îñÿìè. Åñëè îíè ê òîìó æå ÿâëÿþòñÿ öåíòðàëüíûìè, òî òîãäà îíè íàçûâàþòñÿ
ãëàâíûìè öåíòðàëüíûìè îñÿìè. Îñåâûå ìîìåíòû èíåðöèè îòíîñèòåëüíî ãëàâíûõ
îñåé íàçûâàþòñÿ ãëàâíûìè ìîìåíòàìè èíåðöèè. Äëÿ îïðåäåëåíèÿ ýòîãî ïåðâûå
äâå ôîðìóëû (5) ïåðåïèøåì â âèäå
Äàëåå èñêëþ÷àåì ïðè ïîìîùè âûðàæåíèÿ (6) óãîë (. Òîãäà
Âåðõíèé çíàê ñîîòâåòñòâóåò ìàêñèìàëüíîìó ìîìåíòó èíåðöèè, à íèæíèé —
ìèíèìàëüíîìó. Ïîñëå òîãî êàê ñå÷åíèå âû÷åð÷åíî â ìàñøòàáå è íà ÷åðòåæå
ïîêàçàíî ïîëîæåíèå ãëàâíûõ îñåé, íåòðóäíî óñòàíîâèòü, êîòîðîé èç äâóõ
îñåé ñîîòâåòñòâóåò ìàêñèìàëüíûé è êîòîðîé — ìèíèìàëüíûé ìîìåíò èíåðöèè.
Åñëè ñå÷åíèå èìååò îñü ñèììåòðèè, òî ýòà îñü âñåãäà áóäåò ãëàâíîé
.Öåíòðîáåæíûé ìîìåíò èíåðöèè ÷àñòè ñå÷åíèÿ, ðàñïîëîæåííîé ïî îäíó
ñòîðîíó îò îñè, áóäåò ðàâåí ìîìåíòó ÷àñòè, ðàñïîëîæåííîé ïî äðóãóþ
ñòîðîíó, íî ïðîòèâîïîëîæåí åìó ïî çíàêó. Ñëåäîâàòåëüíî, Jõó= 0 è îñè õ è
ó ÿâëÿþòñÿ ãëàâíûìè.