background image

Przykład 2.5. Figura z dwiema osiami symetrii 

 
Polecenie: Wyznaczyć  główne centralne momenty bezwładności oraz kierunki główne dla 
poniższej figury korzystając z metody analitycznej i graficznej (konstrukcja koła Mohra). 
 

 

2

2

5

5

a

a

2a

2a

5

5a

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Dla rozważanej figury przyjmiemy dwa współśrodkowe układy współrzędnych xy oraz 

ξη. Oba układy są układami centralnymi. Układ  ξη jest ponadto układem osi głównych 
ponieważ osie ξ i η są osiami symetrii figury. Należy oczywiście ustalić, która z osi układu ξη 
jest osią maksymalnego momentu bezwładności, a która osią minimalnego momentu 
bezwładności. 

 

ξ 

η

y

C

5a

5a

2a

2a

a

5

5

2

2

background image

W celu wyznaczenia momentu bezwładności względem osi x dokonamy podziału 
rozpatrywanej figury na figury składowe. 

 

a

2a

2a

5

5a

III 

3

4

c

x

4

c

y

C

 y

IV

4

C

4

c

x

4

c

y

II 

5

5

2

2

 

Moment bezwładności rozpatrywanej figury względem osi x policzymy jako 

podwojoną sumę momentów bezwładności względem osi x figur składowych (figury I, II, III i 
IV). Moment bezwładności figury względem osi y ma taką samą wartość. W przypadku figury 
IV należy zastosować twierdzenie Steinera. Pole powierzchni figury III i IV wynosi 

2

IV

III

6

6

2

2

1

a

a

a

A

A

=

=

=

 

(

)

( )

( )

( )

( )

4

2

2

3

3

3

3

IV

III

II

I

6

1

248

6

3

1

2

6

6

2

36

1

2

6

12

1

2

2

3

1

3

3

12

1

2

2

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

I

I

I

I

I

I

x

x

x

x

y

x

=

=

⎪⎭

⎪⎩

+

+

+

+

+

=

=

+

+

+

=

=

 

Dewiacyjny moment rozpatrywanej figury w układzie xy policzymy jako podwojoną 

sumę momentów dewiacyjnych figur składowych (figury I, II, III i IV). W przypadku figury 
III i IV należy zastosować twierdzenie Steinera. Momenty dewiacyjne tych dwóch figur w 
układzie  xy mają  te  same  wartości, można więc w obliczeniach uwzględnić to, licząc 
podwojoną wartość momentu dewiacyjnego np. dla figury III. 

(

) (

)

( ) ( )

( ) ( )

( ) ( )

4

2

2

2

2

2

2

2

III

II

I

IV

III

II

I

4

1

57

6

3

1

2

2

3

1

6

6

2

72

1

2

2

2

4

1

3

3

24

1

2

2

2

2

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

a

I

I

I

I

I

I

I

I

xy

xy

xy

xy

xy

xy

xy

xy

=

=

+

+

+

=

=

+

+

=

+

+

+

=

 

Główna oś bezwładności, względem której moment bezwładności ma wartość 

 

 

2

background image

max

I

I

=

1

 tworzy z osią  x    kąt 

, natomiast główna oś bezwładności, względem której 

moment bezwładności ma wartość 

1

ϕ

min

I

I

=

2

 tworzy z osią x kąt 

2

ϕ

Ponieważ I

x

 = I

y 

I

xy

 < 0 to 

4

1

π

=

ϕ

, natomiast 

4

2

π

=

ϕ

.  

Momenty bezwładności względem głównych centralnych osi bezwładności osiągają 

wartości ekstremalne: 

4

2

4

4

2

2

2

1

12

5

305

4

1

57

6

1

248

2

2

a

a

a

I

I

I

I

I

I

I

I

I

xy

x

xy

y

x

y

x

max

=

⎛−

+

=

+

=

+

⎟⎟

⎜⎜

+

+

=

=

 

4

2

4

4

2

2

2

2

12

11

190

4

1

57

6

1

248

2

2

a

a

a

I

I

I

I

I

I

I

I

I

xy

x

xy

y

x

y

x

min

=

⎛−

=

=

+

⎟⎟

⎜⎜

+

=

=

 

 

ξ - kierunek maksymalnego 
momentu bezwładności 

η - kierunek minimalnego 
momentu bezwładności

 

4

1

π

=

ϕ

4

2

π

=

ϕ

C

 

Główne centralne momenty bezwładności możemy wyznaczyć w inny sposób.  

 

III 

a

2

2

3

a

2

2

3

a

2

3

a

2

3

η

a

2

2

a

2

4

II 

η

 

η

 

3

background image

Obliczymy wartość momentu bezwładności względem osi η, stosując nowy podział na 

figury składowe. Figurę III traktujemy jako pole "ujemne". Momenty bezwładności figury I i 
III mnożymy przez cztery. 

(

)

( )

4

3

4

3

12

11

190

2

2

3

2

2

3

12

1

4

2

3

12

1

2

4

2

2

12

1

4

a

a

a

a

a

a

I

η

=

⎟⎟

⎜⎜

⎟⎟

⎜⎜

+

=

 

W dalszych obliczeniach wykorzystamy to, że suma momentów bezwładności 

względem obu osi układów współśrodkowych jest stała. 

η

ξ

y

x

I

I

I

I

+

=

+

 

czyli       

4

4

4

12

5

305

12

11

190

6

1

248

2

2

a

a

a

I

I

I

I

I

I

η

x

η

y

x

ξ

=

=

=

+

=

 

 

Z porównania wartości głównych momentów bezwładności wynika, że oś 

ξ  jest 

kierunkiem maksymalnego momentu bezwładności, a oś 

η jest kierunkiem minimalnego 

momentu bezwładności. 

4

2

12

11

190

a

I

I

I

min

η

=

=

=

,       

4

1

12

5

305

a

I

I

I

max

ξ

=

=

=

     

Główne centralne momenty bezwładności oraz kierunki główne można wyznaczyć metodą 
graficzną, stosując konstrukcję koła Mohra. Korzystamy z wyznaczonych wartości 
momentów bezwładności w układzie 

xy 

4

4

167

248

6

1

248

a

.

a

I

I

y

x

=

=

=

 

oraz wartości momentu dewiacyjnego 

4

4

250

57

4

1

57

a

.

a

I

xy

=

=

Kolejność postępowania przy wyznaczaniu głównych momentów bezwładności i kierunków 
głównych metodą graficzną jest następująca: 
1. Wyznaczenie położenia punktów 

A i B 

Wartości momentów bezwładności w układzie 

xy 

stanowią odpowiednio 

współrzędne punktów 

A

4

167

248

a

.

I

I

y

x

=

=

(

)

0

167

248

4

,

a

.

I

x

=

 i B

(

)

0

167

248

4

,

a

.

I

y

=

. W rozpatrywanym 

zadaniu położenie punktów A

(

)

0

167

248

4

,

a

.

 i B

(

)

0

167

248

4

,

a

.

 jest wspólne.  

2. Wyznaczenie położenia punktu C 
Punkt  C

(

)

(

)

0

167

248

5

0

4

,

a

.

I

I

.

y

x

=

+

, czyli C

(

)

0

167

248

4

,

a

.

, jest środkiem odcinka 

AB  i 

środkiem koła Mohra. W rozpatrywanym zadaniu położenie punktów 

CA i B jest wspólne.  

3. Wyznaczenie położenia punktu 

D 

Po uwzględnieniu wartości 

oraz 

 otrzymamy współrzędne 

4

167

248

a

.

I

x

=

4

250

57

a

.

I

xy

=

punktu 

D

(

)

(

)

4

4

250

57

167

248

a

.

I

,

a

.

I

xy

x

=

=

, czyli 

D

(

)

4

4

250

57

167

248

a

.

,

a

.

4.  Wyznaczenie promienia koła Mohra 
Łączymy punkty 

C i D odcinkiem 

CD

, który stanowi promień 

R koła Mohra. Promieniem 

tym zataczamy okrąg. 
5. Wyznaczenie głównych momentów bezwładności 
Koło Mohra przecina oś poziomą w dwu punktach: 

E i F. Współrzędne tych punktów są 

następujące: 

E

(

)

0

917

190

4

,

a

.

F

(

)

0

417

305

4

,

a

.

. Długość odcinka 

OE

 odpowiada 

minimalnemu momentowi bezwładności 

, natomiast długość odcinka 

2

I

F

O

 odpowiada 

maksymalnemu momentowi bezwładności  . 

1

I

6.  Wyznaczenie kierunków głównych  

 

4

background image

Oś przechodząca przez punkty 

E i D jest osią maksymalnego momentu bezwładności, a oś 

przechodząca przez punkty 

F i D jest osią minimalnego momentu bezwładności. 

 

2

I

Momenty bezwładności

Moment

y dewiac

yj

ne 

kierunek maksymalnego 
momentu bezwładności 

kierunek minimalnego 
momentu bezwładności 

Przyjęta skala:  50

 r

4

1

I

2

y

x

y

x

I

I

=

=

I

I

+

A=B=C

D

F

R

4

2

π

=

ϕ

4

1

π

=

ϕ

(

)

( )

(

)

(

)

( )

0

0

0

2

0

0

1

2

,

I

F

,

I

E

I

,

I

D

,

I

I

C

,

I

B

,

I

A

xy

x

y

x

y

x

⎟⎟

⎜⎜

+

 

 

5