markdown
慣性モーメントの基本md ccaf7d5
lecture/physics/mechanics/moment-of-inertia-basics.lecture.n.md
Download PDF

慣性かんせいモーメントの基本きほん

date2026-07-14document_iddoc_106c66d5b808d6ba19fcbc5983fe6694description慣性モーメントを回転運動における質量の役割として定義し、回転エネルギー、固定軸の運動方程式、平行軸の定理を証明する講義である。prerequisites回転運動の基本 / 仕事と力学的エネルギー / 単位・次元type講義statusactiverelateddata/lecture/physics/mechanics/rotational-motion-basics.lecture.n.md / data/lecture/physics/mechanics/angular-momentum-basics.lecture.n.md / data/lecture/physics/mechanics/mechanical-constraints.lecture.n.md
physicsmechanicsmoment-of-inertiarigid-bodylecture

1導入どうにゅう

この講義こうぎでは、回転かいてんでは質量しつりょうそのものだけでなく、質量しつりょうじくからどれだけはなれているかがくという性質せいしつ説明せつめいする。

直線運動ちょくせんうんどうでは、質量しつりょう m加速かそくしにくさをあらわす。固定軸こていじくまわりの回転かいてんでは、じくから距離きょり r にある質量しつりょうv=rωうごくため、運動うんどうエネルギーに r2あらわれる。これが慣性かんせいモーメントの出発点しゅっぱつてんである。

2用語ようご定義ていぎ

慣性かんせいモーメントmoment of inertia I とは、固定軸こていじくから距離きょり ri にある質点しつてん mi について

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]I=imiri2

定義ていぎするりょうである。連続体れんぞくたいでは

I=r2dm

く。

回転かいてんエネルギーrotational kinetic energyとは、固定軸こていじくまわりに角速度かくそくど ω回転かいてんする剛体ごうたい運動うんどうエネルギーである。

平行軸へいこうじく定理ていりparallel-axis theoremとは、重心じゅうしんとおじくまわりの慣性かんせいモーメントを IG、それと平行へいこう距離きょり d だけはなれたじくまわりの慣性かんせいモーメントを I とすると、

I=IG+Md2

成立せいりつするという定理ていりである。

3方針ほうしん

慣性かんせいモーメントをおぼえるだけではなく、なぜ r2るかをる。

  1. 各質点かくしつてんはやさを vi=riωく。
  2. 12mivi2代入だいにゅうする。
  3. ω2係数けいすうとして I=miri2あらわれる。
  4. ちからのモーメントと角加速度かくかそくど関係かんけいも、おなIける。

4関係式かんけいしき 1:回転かいてんエネルギー

固定軸こていじくまわりに角速度かくそくど ω回転かいてんする剛体ごうたい運動うんどうエネルギーは

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]Krot=12Iω2

である。

4.1証明しょうめい

剛体ごうたい多数たすう質点しつてん miける。固定軸こていじくからの距離きょりri とすると、回転運動かいてんうんどう基本きほんより

vi=riω

である。全運動ぜんうんどうエネルギーは

K=i12mivi2=i12mi(riω)2=12(imiri2)ω2

である。括弧かっこなかI定義ていぎしたので、

Krot=12Iω2

る。

5方程式ほうていしき 2:固定軸こていじくまわりの運動方程式うんどうほうていしき

慣性系かんせいけい固定こていされたじくまわりに剛体ごうたい回転かいてんし、その軸方向じくほうこう成分せいぶんだけをかんがえる。外力がいりょくのモーメントのτext とすると、

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]τext=Iα

成立せいりつする。

5.1証明しょうめい

じくから距離きょり ri にある質点しつてん miかんがえる。接線方向せっせんほうこう加速度かそくど

at,i=riα

である。したがって接線方向せっせんほうこうちから

Ft,i=miriα

である。このちからじくまわりにつくるモーメントは

τi=riFt,i=miri2α

である。全体ぜんたいすと

τi=(imiri2)α=Iα

る。このには、各質点かくしつてんはたら外力がいりょく内部力ないぶりょく接線方向成分せっせんほうこうせいぶんふくまれる。剛体ごうたい内部力ないぶりょく作用反作用さようはんさようついとしてあらわれ、全体ぜんたい角運動量かくうんどうりょうえる外力がいりょくのモーメントにはならない。また、固定軸こていじくあたえる拘束力こうそくりょく軸上じくじょうはたらくので、そのじくまわりのモーメントは 0 である。したがって軸方向じくほうこう外力がいりょくモーメントだけをのこして

τext=Iα

る。

6定理ていり 3:平行軸へいこうじく定理ていり

質量しつりょう M剛体ごうたいについて、重心じゅうしんとおじくまわりの慣性かんせいモーメントを IG とする。おなきで距離きょり d だけはなれた平行軸へいこうじくまわりの慣性かんせいモーメントは

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]I=IG+Md2

である。

6.1証明しょうめい

重心じゅうしん原点げんてんとする平面内へいめんない位置いちρi とし、あたらしいじく重心軸じゅうしんじくから d だけはなれているとする。あたらしいじくからの垂直距離すいちょくきょり二乗にじょう|ρi-d|2 である。したがって

I=imi|ρi-d|2

である。展開てんかいすると

I=imi|ρi|2-2d·imiρi+|d|2imi

となる。重心じゅうしん原点げんてんったので

imiρi=0

である。また imi=M である。よって

I=IG+Md2

る。

7単位たんい確認かくにん

I単位たんい

mr2:[kg;M][m2;L2]=[kgm2;ML2]

である。回転かいてんエネルギーでは

Iω2:[kgm2;ML2][1/s2;T-2]=[J;ML2T-2]

となる。

8具体例ぐたいれい固定軸こていじくまわりに回転かいてんする円盤えんばん

質量しつりょう M半径はんけい R一様円盤いちようえんばん中心軸ちゅうしんじくまわりに角速度かくそくど ω回転かいてんする。中心軸ちゅうしんじくまわりの慣性かんせいモーメントは

I=12MR2

である。したがって回転かいてんエネルギーは

Krot=12Iω2=14MR2ω2

である。質量しつりょうおなじでも、半径はんけいおおきいほどじくからとお質量しつりょうえるため、おなω でも回転かいてんエネルギーはおおきくなる。

9見分みわかた

  • 物体ぶったいひろがって回転かいてんするなら、I確認かくにんする。
  • じくわれば Iわる。
  • 重心じゅうしんからずれたじくなら、平行軸へいこうじく定理ていり使つかう。
  • 固定軸こていじくなら Krot=12Iω2使つかう。

10どこまで成立せいりつするか

I=miri2じく指定していしてはじめて意味いみをもつ。一般いっぱんの 3 次元じげん回転かいてんでは、慣性かんせいモーメントは 1 かずではなく慣性かんせいテンソルになる。この講義こうぎでは固定軸こていじくまたは対称軸たいしょうじくまわりの回転かいてんあつかう。

11最終形さいしゅうけい

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]I=imiri2
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]Krot=12Iω2
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]τext=Iα
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]I=IG+Md2

12一言ひとこと

慣性かんせいモーメントは、回転かいてんにとっての質量しつりょうである。ただし、じくからとお質量しつりょうほど r2つよく。

raw .n.md をコピー
loc をコピー (filepath:line ~ line)
copy share link
copy encoded share link
path をコピー
copy share link
copy encoded share link
copy share link
copy encoded share link
タブを全て閉じる