Tema 5: Tensor de Inercia - Universidad de...
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1Mecánica Racional, GIC, Dpto. Física Aplicada III, ETSI, Universidad de Sevilla, 2017/18
Tema 5: Tensor de Inercia
Mecánica Racional, 2º, Grado en Ingeniería Civil
Escuela Técnica Superior de Ingenieros
Universidad de Sevilla
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2Mecánica Racional, GIC, Dpto. Física Aplicada III, ETSI, Universidad de Sevilla, 2017/18
ÍndiceÍndice
Introducción
Momentos de inercia de cuerpos continuos
Tensor de inercia
Definiciones
Teorema de Steiner
Momento de inercia respecto a un eje
Ejes principales de inercia
Algunos ejemplos de tensores de inercia
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3Mecánica Racional, GIC, Dpto. Física Aplicada III, ETSI, Universidad de Sevilla, 2017/18
Momento angular de un sistema de partículas respecto a un punto fijoMomento angular de un sistema de partículas respecto a un punto fijo
X
Y
Z
O
El momento angular (o cinético) del sistema respecto a un punto es la suma de
los momentos angulares de cada una de las partículas que lo componen respecto
al mismo punto
Para un sistema continuo
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4Mecánica Racional, GIC, Dpto. Física Aplicada III, ETSI, Universidad de Sevilla, 2017/18
Relación entre momento angular y rotaciónRelación entre momento angular y rotación
θ(t)
X
Momento de inercia de la partícula respecto a un eje
¿Son siempre paralelos?
Momento angular de la partícula
Movimiento circular de una partícula
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5Mecánica Racional, GIC, Dpto. Física Aplicada III, ETSI, Universidad de Sevilla, 2017/18
Rotación de un sólido alrededor de un eje fijo: eje no de simetríaRotación de un sólido alrededor de un eje fijo: eje no de simetría
X
Z
m
m
O
Vector rotación
Momento angular respecto a O
LO y ω NO son paralelos
O
Z
Se puede construir una relación lineal
es el Tensor de Inercia, o Matriz de Inercia
Su papel es similar al de la masa en el movimiento
lineal
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6Mecánica Racional, GIC, Dpto. Física Aplicada III, ETSI, Universidad de Sevilla, 2017/18
ÍndiceÍndice
Introducción
Momentos de inercia de cuerpos continuos
Tensor de inercia
Definiciones
Teorema de Steiner
Momento de inercia respecto a un eje
Ejes principales de inercia
Algunos ejemplos de tensores de inercia
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7Mecánica Racional, GIC, Dpto. Física Aplicada III, ETSI, Universidad de Sevilla, 2017/18
Momentos de inercia de cuerpos continuosMomentos de inercia de cuerpos continuos
Momentos de inercia respecto a los planos cartesianos
Momentos de inercia respecto a los ejes cartesianos
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8Mecánica Racional, GIC, Dpto. Física Aplicada III, ETSI, Universidad de Sevilla, 2017/18
Momentos de inercia de cuerpos continuosMomentos de inercia de cuerpos continuos
Momento de inercia respecto del origen
Relaciones entre los momentos de inercia
También se usa la notación con OXYZ
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9Mecánica Racional, GIC, Dpto. Física Aplicada III, ETSI, Universidad de Sevilla, 2017/18
Productos de inercia de cuerpos continuosProductos de inercia de cuerpos continuos
Productos de inercia
Pueden ser negativos
Los momentos son siempre
positivos
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10Mecánica Racional, GIC, Dpto. Física Aplicada III, ETSI, Universidad de Sevilla, 2017/18
ÍndiceÍndice
Introducción
Momentos de inercia de cuerpos continuos
Tensor de inercia
Definiciones
Teorema de Steiner
Momento de inercia respecto a un eje
Ejes principales de inercia
Algunos ejemplos de tensores de inercia
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11Mecánica Racional, GIC, Dpto. Física Aplicada III, ETSI, Universidad de Sevilla, 2017/18
Tensor de InerciaTensor de Inercia
Es simétrico
Es diferente para cada punto del sólido (campo tensorial)
Es independiente de la base que se use
Aunque los coeficientes dependen de la base que se use
Expresión en forma de índices
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12Mecánica Racional, GIC, Dpto. Física Aplicada III, ETSI, Universidad de Sevilla, 2017/18
Relación entre momento angular y tensor de inerciaRelación entre momento angular y tensor de inercia
Dado un sólido con un punto fijo O y vector rotación ω
También es cierto respecto al CM, aunque no sea fijo
En general el momento angular y el vector rotación no son paralelos
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13Mecánica Racional, GIC, Dpto. Física Aplicada III, ETSI, Universidad de Sevilla, 2017/18
ÍndiceÍndice
Introducción
Momentos de inercia de cuerpos continuos
Tensor de inercia
Definiciones
Teorema de Steiner
Momento de inercia respecto a un eje
Ejes principales de inercia
Algunos ejemplos de tensores de inercia
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14Mecánica Racional, GIC, Dpto. Física Aplicada III, ETSI, Universidad de Sevilla, 2017/18
DefinicionesDefiniciones
Vector y su traspuesto
Las dos formas son equivalentes
Si es necesario, se indica la base con un subíndice
Producto escalar de dos vectores
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15Mecánica Racional, GIC, Dpto. Física Aplicada III, ETSI, Universidad de Sevilla, 2017/18
DefinicionesDefiniciones
Producto diádico de dos vectores
No hay puntos entre los vectores
Es un tensor
Producto escalar de un producto diádico por un vector
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16Mecánica Racional, GIC, Dpto. Física Aplicada III, ETSI, Universidad de Sevilla, 2017/18
DefinicionesDefiniciones
Tensor unidad
Integral de una matriz
Tensor de inercia con diadas
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17Mecánica Racional, GIC, Dpto. Física Aplicada III, ETSI, Universidad de Sevilla, 2017/18
ÍndiceÍndice
Introducción
Momentos de inercia de cuerpos continuos
Tensor de inercia
Definiciones
Teorema de Steiner
Momento de inercia respecto a un eje
Ejes principales de inercia
Algunos ejemplos de tensores de inercia
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18Mecánica Racional, GIC, Dpto. Física Aplicada III, ETSI, Universidad de Sevilla, 2017/18
Teorema de Steiner o de ejes paralelosTeorema de Steiner o de ejes paralelos
Para momentos de inercia
Para productos de inercia
Generalizado (para el tensor de inercia)
El sentido de R no afecta al resultado
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19Mecánica Racional, GIC, Dpto. Física Aplicada III, ETSI, Universidad de Sevilla, 2017/18
ÍndiceÍndice
Introducción
Momentos de inercia de cuerpos continuos
Tensor de inercia
Definiciones
Teorema de Steiner
Momento de inercia respecto a un eje
Ejes principales de inercia
Algunos ejemplos de tensores de inercia
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20Mecánica Racional, GIC, Dpto. Física Aplicada III, ETSI, Universidad de Sevilla, 2017/18
Momento de inercia respecto a un ejeMomento de inercia respecto a un eje
Momento de inercia respecto a un eje
Teorema de los ejes paralelos
IΔ(O) es un eje paralelo a I
Δ(G) y d es la distancia entre ellos
Teorema de los ejes perpendiculares
Sólo para figuras planas
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21Mecánica Racional, GIC, Dpto. Física Aplicada III, ETSI, Universidad de Sevilla, 2017/18
Momento de inercia respecto a un ejeMomento de inercia respecto a un eje
Momento respecto a un eje cualquiera
en función del tensor de inercia
Demostración
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22Mecánica Racional, GIC, Dpto. Física Aplicada III, ETSI, Universidad de Sevilla, 2017/18
Momento de inercia respecto a un ejeMomento de inercia respecto a un eje
Radio de giro de un sólido respecto a un eje Δ
Una masa puntual M situada a una distancia K del eje, o una cáscara cilíndrica de
masa M y radio K, tienen el mismo momento de inercia respecto al eje que el sólido
Se usa para dar el momento de inercia respecto a un eje de sólidos con forma
complicada
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23Mecánica Racional, GIC, Dpto. Física Aplicada III, ETSI, Universidad de Sevilla, 2017/18
ÍndiceÍndice
Introducción
Momentos de inercia de cuerpos continuos
Tensor de inercia
Definiciones
Teorema de Steiner
Momento de inercia respecto a un eje
Ejes principales de inercia
Algunos ejemplos de tensores de inercia
![Page 24: Tema 5: Tensor de Inercia - Universidad de Sevillalaplace.us.es/wiki/images/archive/5/54/20171016094401!MR...Producto escalar de un producto diádico por un vector Mecánica Racional,](https://reader030.fdocuments.ec/reader030/viewer/2022040213/5e9f0029b37a18754f319043/html5/thumbnails/24.jpg)
24Mecánica Racional, GIC, Dpto. Física Aplicada III, ETSI, Universidad de Sevilla, 2017/18
Ejes principales de inerciaEjes principales de inercia
Los coeficientes de la matriz de inercia dependen de la base que se use
La matriz de inercia es simétrica con coeficientes reales
Es diagonalizable
Siempre se puede encontrar un sistema de ejes perpendiculares en el
cual la matriz de inercia es diagonal
I*ii son los autovalores de la matriz: momentos principales de inercia
u*i son los autovectores de la matriz: direcciones principales de inercia
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25Mecánica Racional, GIC, Dpto. Física Aplicada III, ETSI, Universidad de Sevilla, 2017/18
Ejes principales de inerciaEjes principales de inercia
Los autovectores son los ejes principales de inercia (o direcciones de
inercia)
Si el cuerpo gira en torno a un eje principal de inercia, el momento angular
y el vector rotación son paralelos
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26Mecánica Racional, GIC, Dpto. Física Aplicada III, ETSI, Universidad de Sevilla, 2017/18
Ejes principales de inercia: propiedadesEjes principales de inercia: propiedades
Si uk es dirección principal de inercia en A entonces
Todo eje baricentral que E.P.I. en un punto lo es en todos
Todo eje que es E.P.I. en dos o mas puntos es baricentral
Un eje baricentral es E.P.I. en un todos sus puntos o en ninguno
Un eje no baricentral es E.P.I. en ningún punto o sólo en uno
Todo eje perpendicular a un plano de simetría es E.P.I. en el punto de corte
Todo eje de simetría es E.P.I. en todos sus puntos
Sólo para sólidos planos
Todo eje perpendicular al plano del sólido es E.P.I. en el punto de corte
Si A es un punto del sólido y AX3 la dirección perpendicular se tiene
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27Mecánica Racional, GIC, Dpto. Física Aplicada III, ETSI, Universidad de Sevilla, 2017/18
ÍndiceÍndice
Introducción
Momentos de inercia de cuerpos continuos
Tensor de inercia
Definiciones
Teorema de Steiner
Momento de inercia respecto a un eje
Ejes principales de inercia
Algunos ejemplos de tensores de inercia
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28Mecánica Racional, GIC, Dpto. Física Aplicada III, ETSI, Universidad de Sevilla, 2017/18
Ejes principales en el CM para algunos sólidosEjes principales en el CM para algunos sólidos
Paralelepípedo con tres caras diferentes
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29Mecánica Racional, GIC, Dpto. Física Aplicada III, ETSI, Universidad de Sevilla, 2017/18
Ejes principales en el CM para algunos sólidosEjes principales en el CM para algunos sólidos
Placa rectangular
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30Mecánica Racional, GIC, Dpto. Física Aplicada III, ETSI, Universidad de Sevilla, 2017/18
Ejes principales en el CM para algunos sólidosEjes principales en el CM para algunos sólidos
Cilindro
Hay un autovalor doble
Todas las direcciones
perpendiculares a X3
son E.P.I.
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31Mecánica Racional, GIC, Dpto. Física Aplicada III, ETSI, Universidad de Sevilla, 2017/18
Ejes principales en el CM para algunos sólidosEjes principales en el CM para algunos sólidos
Varilla de grosor despreciable
Es un caso degenerado: I33=0
Todas las direcciones
perpendiculares a X3 son E.P.I.
Sólo tiene 5 grados de libertad
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32Mecánica Racional, GIC, Dpto. Física Aplicada III, ETSI, Universidad de Sevilla, 2017/18
Ejes principales en el CM para algunos sólidosEjes principales en el CM para algunos sólidos
Esfera
Los tres momentos principales
son iguales
Todas las direcciones son
E.P.I.
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33Mecánica Racional, GIC, Dpto. Física Aplicada III, ETSI, Universidad de Sevilla, 2017/18
Cálculo del tensor de inercia en G para una esfera hueca de radio R y masa MCálculo del tensor de inercia en G para una esfera hueca de radio R y masa M
Utilizamos simetrías
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34Mecánica Racional, GIC, Dpto. Física Aplicada III, ETSI, Universidad de Sevilla, 2017/18
Tensor de inercia en G para una esfera maciza de radio R y masa MTensor de inercia en G para una esfera maciza de radio R y masa M
Utilizamos simetrías