background image

GEOMETRIA FIGUR PŁASKICH

 

 
1. ŚRODEK CIĘŻKOŚCI 

 

1.1. ŚRODEK CIĘŻKOŚCI BRYŁY MATERIALNEJ PRZESTRZENNEJ 
 

Jeżeli sztywną bryłę materialną podzielimy myślowo na dużą liczbę  n 

małych cząstek w sposób regularny to każda z nich posiada określoną masę  m

i

 

oraz ciężar P

i

 

 

 

Ciężary wszystkich cząstek stanowią układ sił równoległych, a wypadkowa 

tych sił stanowi ciężar całej bryły. 
 

 

Środkiem ciężkości bryły materialnej nazywamy graniczne położenie 
punktu przyłożenia wypadkowej sił ciężkości wszystkich cząstek 
bryły, gdy ich liczba dąży do nieskończoności. 

 

 

Niech  P

i

 oznacza ciężar  i-tej cząstki bryły, a liczby (x

, y

, z

i

) będą 

współrzędnymi punktu przyłożenia tej siły. 
Opierając się na definicji środka ciężkości możemy posłużyć się znanymi wzorami 
statyki na położenie wypadkowej sił równoległych. 

=

=

=

=

=

=

=

=

=

n

i

i

n

i

i

i

n

o

n

i

i

n

i

i

i

n

o

n

i

i

n

i

i

i

n

o

P

z

P

z

P

y

P

y

P

x

P

x

1

1

1

1

1

1

lim

;

lim

;

lim

 

 

background image

1.1.1. UPROSZCZENIA W WYZNACZANIU ŚRODKA CIĘŻKOŚCI 

 

a) płaszczyzna symetrii 

 

 

 
b) oś symetrii i punkt symetrii 

 

                  

Wniosek 

 

Jeżeli bryła sztywna jest symetryczna względem płaszczyzny, osi albo punktu, to 
jej środek ciężkości leży na tej płaszczyźnie, osi albo w punkcie symetrii. 
 
Uwaga: powyższe zapisy są aktualne dla bryły jednorodnej – tzn. przyjęty stały 
ciężar jednostki jej objętości w każdym punkcie. 
 
 
 
 
 
 

 

2

background image

1.2. ZASADA GRUPOWANIA 

 
 

 

 
Jeżeli bryła ma kształt, który pozwala podzielić  ją na takie części, dla 

których położenie  środków ciężkości jest znane lub łatwe do określenia, to 
możemy rozpatrywać skończoną ilość ciężarów G

i

  tych części, umieszczonych w 

ich środkach ciężkości. 
Wzory na współrzędne środka ciężkości: 

 

3

2

1

3

3

2

2

1

1

3

2

1

3

3

2

2

1

1

3

2

1

3

3

2

2

1

1

G

G

G

z

G

z

G

z

G

z

G

G

G

y

G

y

G

y

G

y

G

G

G

x

G

x

G

x

G

x

o

o

o

+

+

+

+

=

+

+

+

+

=

+

+

+

+

=

 

 
 
1.3. ZASADA MAS UJEMNYCH 
 

 

 

W miejscu otworu w bryle dodajemy siłę ciężkości, tak jakby otworu nie 

było, tzn. bryłę traktujemy jako pełną. 
Dla narysowanego przykładu możemy więc napisać: 

 

3

background image

 

2

1

2

2

1

1

2

1

2

2

1

1

2

1

2

2

1

1

;

;

G

G

z

G

z

G

z

G

G

y

G

y

G

y

G

G

x

G

x

G

x

o

o

o

+

=

=

=

 

 

 
 

1.4. ŚRODEK CIĘŻKOŚCI FIGURY PŁASKIEJ 
 

Jeżeli grubość figury jest bardzo mała w porównaniu z jej pozostałymi wymiarami, 
to można przyjąć że środek ciężkości tej figury leży w jej płaszczyźnie, to znaczy 
że do jego wyznaczenia wystarczy podać tylko dwie współrzędne: x

o

 i y

o

 . 

Przez 

 oznaczmy powierzchnię elementu „i” a przez 

i

A

Δ

γ

 ciężar cząstki bryły o 

powierzchni jednostkowej. 

 

 

 
Ciężar wycinka elementarnego „i” będzie więc wynosił 

i

i

A

P

Δ

=

γ

 

=

Δ

Δ

=

Δ

Δ

=

=

=

=

=

=

=

=

n

i

i

n

i

i

i

n

n

i

i

n

i

i

i

n

n

i

i

n

i

i

i

n

o

A

x

A

A

x

A

P

x

P

x

1

1

1

1

1

1

lim

lim

lim

γ

γ

γ

γ

 

A

xdA

A

x

A

A

n

i

i

n

i

i

i

n

=

Δ

Δ

=

=

=

1

1

lim

 

 
 
 

 

4

background image

analogicznie: 

A

ydA

y

A

o

=

 

 

Wyrażenie 

 

nazywamy momentem statycznym figury 

płaskiej względem osi y i oznaczamy symbolem 

S

=

Δ

=

A

n

i

i

i

n

xdA

x

A

1

lim

y

Wyrażenie 

 

nazywamy momentem statycznym figury 

płaskiej względem osi x i oznaczamy symbolem 

S

=

Δ

=

A

n

i

i

i

n

ydA

y

A

1

lim

x

 
Posługując się wprowadzonymi pojęciami możemy nadać wzorom na współrzędne 
środka ciężkości figury płaskiej następującą postać: 
 

A

S

y

A

S

x

x

o

y

o

=

=

 

 
 

1.5. MOMENT STATYCZNY FIGURY PŁASKIEJ 

 

 

Momentem statycznym figury płaskiej względem pewnej osi (np. x
nazywamy wielkość wyrażoną przez całkę iloczynu elementów pola 
tej figury i ich odległości  y od danej osi x, rozciągniętą na całym 
polu A tej figury. 

 

 

 

 

=

A

x

ydA

S

 

 

 

Wnioski 
 

1)  Momenty statyczne obszarów leżących dalej od osi osiągają bezwzględne 

wartości większe niż momenty statyczne elementów leżących bliżej osi. 

 

5

background image

2)  Momenty statyczne mogą być liczbami dodatnimi jak i ujemnymi. Zależy to 

od położenia figury w stosunku do osi. 

3)  Wymiarem momentu statycznego są jednostki długości do potęgi trzeciej  

[cm

3

], [m

3

4)  Wzorom

 

A

S

y

A

S

x

x

o

y

o

=

=

,

 można nadać postać:

 

o

y

o

x

x

A

S

y

A

S

=

=

 

Jeżeli znane są współrzędne  środka ciężkości figury płaskiej, to momenty 
statyczne tych figur można obliczyć z tych wzorów 

Wzór 

 oznacza, że moment statyczny figury płaskiej 

względem dowolnej osi jest równy iloczynowi jej powierzchni A i 
odległości jej środka ciężkości od tej osi. 

o

x

y

A

S

=

 

o

y

o

x

x

A

S

y

A

S

=

=

 
     Przykład 

 

           

 

2

2

2

bh

h

b

h

A

y

S

o

x

=

=

=

 
 

5)  Ze wzorów powyższych wynika, że np. 

0

=

x

S

 jeżeli 

 co oznacza, że 

0

=

o

y

 

 

Moment statyczny figury względem osi przechodzącej przez jej środek 
ciężkości jest równy zero.

 

 

 

 

6

background image

 

6)  Jeżeli do wniosku nr 4) dodamy zasadę grupowania, to możemy obliczyć 

współrzędne środka ciężkości figur złożonych, np.: 

 

 

 

3

3

2

2

1

1

;

;

A

x

S

A

x

S

A

x

S

III

y

II

y

I

y

=

=

=

 

III

y

II

y

I

y

y

S

S

S

S

+

+

=

 

3

2

1

3

3

2

2

1

1

A

A

A

A

x

A

x

A

x

A

S

x

y

o

+

+

+

+

=

=

 

 

3

3

2

2

1

1

;

;

A

y

S

A

y

S

A

y

S

III

x

II

x

I

x

=

=

=

 

III

x

II

x

I

x

x

S

S

S

S

+

+

=

 

3

2

1

3

3

2

2

1

1

A

A

A

A

y

A

y

A

y

A

S

y

x

o

+

+

+

+

=

=

 

 
 

W zapisie ogólnym przy dowolnej ilości pól prostych tworzących figurę  złożoną 
możemy zapisać: 
 

 

 

7

background image

 

=

=

=

n

i

i

n

i

i

i

o

A

A

x

x

1

1

 

=

=

=

n

i

i

n

i

i

i

o

A

A

y

y

1

1

 

 

2. MOMENT BEZWŁADNOŚCI FIGURY PŁASKIEJ 

 

Moment bezwładności figury płaskiej względem osi jest wielkością 

charakteryzującą kształt figury płaskiej rozpatrywaną w nauce wytrzymałości 
materiałów. 

 

 

 

=

A

x

dA

y

J

2

 

 

 

 

Momentem bezwładności figury płaskiej względem pewnej osi np. x
nazywamy całkę z iloczynu elementów pola tej figury i kwadratu ich 
odległości od danej osi rozpatrywaną na całym polu A
 tej figury.

 

 

 
Własności: 

1)  Wielkość ta jest zawsze związana z wyborem osi; 
2)  Moment bezwładności przyjmuje wartości większe od zera 

0

>

x

J

3) 

Wymiarem (jednostką) momentu bezwładności są jednostki długości do 
potęgi czwartej: [cm

4

] ; [m

4

].

 

 
 

 

8

background image

2.1. Zależności dla osi równoległych do siebie 
 

 

 
Zakładamy,  że moment bezwładności względem osi x jest wielkością znaną. 
Stawiamy sobie pytanie, jaki jest moment bezwładności względem osi x

, gdzie oś 

jest równoległa do osi x i oddalona od niej o wartość a. 

a

y

y

dA

y

J

dA

y

J

A

x

A

x

+

=

=

=

1

2

1

2

;

1

 

Czyli: 

+

+

=

=

+

+

=

+

+

=

+

=

A

A

A

A

A

A

A

A

x

dA

a

dA

y

a

dA

y

dA

a

dA

y

a

dA

y

dA

a

ay

y

dA

a

y

J

2

2

2

2

2

2

2

2

2

)

2

(

)

(

1

 

A

a

S

a

J

J

x

x

x

2

2

1

+

+

=

 

 
Jeżeli dodatkowo przyjmiemy, że oś  x przechodzi przez środek ciężkości figury 
płaskiej (oznaczamy ją wtedy x

0

), to moment statyczny S

x

=0 i powyższy wzór 

przyjmie postać: 

 

 

                                     

 

A

a

J

J

x

x

2

1

+

=

 

 

Wzór ten nazywamy wzorem Steinera
 
Przykład 
    Znaleźć moment bezwładności figury płaskiej względem: a) osi przechodzącej 
przez jego podstawę; b) osi przechodzącej przez środek ciężkości i równolegle do 
podstawy. 

 

9

background image

 

3

3

3

0

3

0

2

0

2

2

bh

J

by

dy

y

b

bdy

y

dA

y

J

x

h

h

h

A

x

=

=

=

=

=

 

Według wzoru Steinera: 

12

4

3

2

3

3

3

3

2

3

2

2

bh

bh

bh

bh

h

bh

A

a

J

J

A

a

J

J

x

x

x

x

o

o

=

=

=

=

+

=

 

 

12

3

bh

J

o

x

=

 

 

3.  ODŚRODKOWY MOMENT BEZWŁADNOŚCI FIGURY 
      (MOMENT DEWIACYJNY) 

 
Jest to wielkość uwzględniająca usytuowanie figury płaskiej względem dwóch osi 
jednocześnie. 

 

 

 

=

A

xy

xydA

J

 

 

10

background image

 

 

Uwagi: 

1)  Odśrodkowy moment bezwładności może być wielkością dodatnią jak 

i ujemną 

2)  Wymiarem (jednostką) odśrodkowego momentu bezwładności są jednostki 

długości do potęgi czwartej: [cm

4

] ; [m

4

]. 

 

3) 

Jeżeli figura płaska ma przynajmniej jedną oś symetrii to jej moment 
dewiacyjny względem tej osi jest równy zero

 

 

3.1. Zależności dla osi równoległych do siebie 

 

 

+

+

+

=

+

+

=

=

A

A

A

A

A

A

def

y

x

dA

ab

xdA

b

ydA

a

xydA

dA

b

y

a

x

dA

y

x

J

)

)(

(

 

 

abA

bS

aS

J

J

y

x

xy

y

x

+

+

+

=

 

 

Jeżeli dodatkowo osie pierwotne xy  przechodzą przez środek ciężkości figury to 

 

i wzór przyjmie prostszą postać: 

0

=

=

y

x

S

S

 

 

abA

J

J

xy

y

x

+

=

 

 

 
Jest to odpowiednik wzoru Steinera. 

 

Zarówno przy liczeniu momentu bezwładności względem osi jak 

i dewiacyjnych momentów obowiązuje zasada grupowania, która mówi, że jeżeli 
figurę możemy podzielić na kilka prostszych elementów to moment całej figury 
względem określonej osi jest sumą momentów względem tej osi dla 
poszczególnych elementów składowych tej figury. 

 

 

11

background image

 

 

=

=

+

=

+

=

n

i

i

i

y

y

n

i

i

i

x

x

A

a

J

J

A

b

J

J

i

o

i

o

1

2

1

2

)

(

)

(

 

 
 
Analogicznie otrzymamy dla momentów dewiacyjnych: 

=

+

=

n

i

i

i

i

y

x

o

y

x

b

a

A

J

J

i

i

o

1

)

(

 

W tym ostatnim wzorze, jeżeli elementami składowymi rozpatrywanymi pod 
znakiem sumy 

 są prostokąty zanika 

 i wzór przyjmuje postać: 

i

i

y

x

J

=

=

n

i

i

i

i

y

x

b

a

A

J

o

o

1

 

Wynika to stąd, że dla prostokąta mamy: 
 

                         

 

0

=

i

i

y

x

J

 

 

 

 

12

background image

4. BIEGUNOWY MOMENT BEZWŁADNOŚCI FIGURY 
        PŁASKIEJ 

 

Wielkość ta występuje m.in. przy analizie naprężeń stycznych i odkształceń 

w elementach doznających zjawiska skręcania. 

 

 

 

 

=

A

def

o

dA

J

2

ρ

 

 

 
Własności: 

1)  Biegunowy moment zawsze przyjmuje wartości większe od zera 

0

>

o

J

2) 

Wymiarem (jednostką) momentu biegunowego są jednostki długości do 
potęgi czwartej: [cm

4

] ; [m

4

];

 

3)  

y

x

A

A

A

A

o

J

J

dA

x

dA

y

dA

y

x

dA

J

+

=

+

=

+

=

=

2

2

2

2

2

)

(

ρ

 

 

y

x

o

J

J

J

+

=

 

 
 
4. ZALEŻNOŚCI DLA OSI OBRÓCONYCH 
 

Dane są momenty bezwładności figury płaskiej względem osi x i y. Znane są 

również wartości J

J

oraz J

xy

 względem tych osi. 

Szukamy momentu bezwładności tej figury względem nowych osi 

ξ

 (ksi) i 

η

 (eta) obróconych względem układu xy o kąt 

ϕ

 

 

13

background image

 

 

ϕ

ϕ

η

ϕ

ϕ

ξ

sin

cos

sin

cos

x

y

y

x

=

+

=

 

 

Uwzględniając powyższe zależności obliczamy kolejno 

 i 

ξ

J

η

J

ξη

J

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

η

ξ

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

sin

2

sin

cos

sin

sin

cos

2

cos

)

sin

sin

cos

2

cos

(

)

sin

cos

(

y

xy

x

A

A

A

A

A

A

J

J

J

dA

x

xydA

dA

y

dA

x

xy

y

dA

x

y

dA

J

+

=

=

+

=

=

+

=

=

=

=

 

 

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

ξ

η

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

cos

2

sin

sin

sin

2

sin

cos

sin

sin

cos

2

cos

)

sin

sin

cos

2

cos

(

)

sin

cos

(

y

xy

x

x

xy

y

A

A

A

A

A

A

J

J

J

J

J

J

dA

y

xydA

dA

x

dA

y

xy

x

dA

y

x

dA

J

+

+

=

=

+

+

=

=

+

+

=

=

+

+

=

=

+

=

=

 

 

14

background image

 

Wyliczmy w podobny sposób odśrodkowy moment bezwładności 

ξη

J

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

ξη

ξη

2

cos

2

sin

)

(

2

1

)

sin

(cos

cos

sin

)

(

sin

cos

sin

cos

sin

cos

)

sin

cos

)(

sin

cos

(

2

2

2

2

2

2

xy

y

x

xy

y

x

A

A

A

A

A

A

J

J

J

J

J

J

xydA

dA

y

dA

x

xydA

dA

x

y

y

x

dA

J

+

=

=

+

=

=

+

=

=

+

=

=

 

Wyniki te wykorzystamy poniżej. 

 

5. GŁÓWNE OSIE BEZWŁADNOŚCI FIGURY PŁASKIEJ 

 

Wyprowadzone w poprzednim punkcie wzory na obliczanie momentów 

bezwładności 

 względem osi 

ξ

J

η

J

ξη

J

ξ

η

    tworzących kąt 

ϕ

 z pewnymi 

osiami  xy o początku w punkcie O. Jeżeli będziemy brali pod uwagę szereg 
różnych osi 

ξη

 stale o początku O, odpowiadającym różnym kątom 

ϕ

, to 

otrzymywać będziemy odpowiednio różne momenty bezwładności. 
Możemy więc np. wielkości 

 potraktować jako funkcje kąta 

ξ

J

η

J

ϕ

 i zadać 

pytanie, dla jakiego kąta 

ω

ϕ

=

 osiągną te funkcje ekstremum.  

Będzie to oczywiście wtedy, gdy jej pierwsze pochodne względem 

ϕ

 przyjmą 

wartość zero: 

1) 

0

=

ϕ

ξ

d

dJ

 

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

ξ

ξ

2

cos

2

2

sin

)

(

2

2

cos

cos

sin

2

)

sin

(

cos

2

2

sin

sin

cos

2

2

xy

x

y

xy

y

x

xy

y

x

J

J

J

J

J

J

d

dJ

J

J

J

J

=

+

=

+

=

 

Następnie porównując tę pochodną do zera otrzymujemy równanie: 

ϕ

ϕ

ϕ

2

cos

:

/

0

2

cos

2

2

sin

)

(

=

xy

x

y

J

J

J

 

 

 

 

 

(1

*

)

 

Ostatecznie: 

 

15

background image

x

y

xy

J

J

J

tg

=

2

2

ξ

ω

 

Przez kąt 

ξ

ω

 oznaczony został kąt 

ϕ

, dla którego zachodzi ekstremum 

ξ

J

Ponieważ tangens kąta jest funkcją okresową o okresie 180

o

 

otrzymamy w 

granicach od 0

o

 do 360

o

 dwa kąty 

ξ

ω

2

 różniące się o 180

o

1

2

ω

ω

ξ

=

   i   

 

o

180

2

1

+

=

ω

ω

ξ

stąd 

2

1

ω

ω

ξ

=

   i   

o

90

2

1

+

=

ω

ω

ξ

 

 

x

y

xy

x

y

xy

J

J

J

arctg

J

J

J

arctg

=

=

2

2

1

2

2

ξ

ξ

ω

ω

 

 
Jeżeli równania (1

*

) podzielimy przez 2 to otrzymamy: 

0

2

cos

2

sin

)

(

2

1

=

+

ϕ

ϕ

xy

y

x

J

J

J

 

 

Lewa strona tego równania jest identyczna z prawą stroną równania zapisanego w 
pkt. 4 na wyrażenie 

czyli

 

ξη

J

0

2

cos

2

sin

)

(

2

1

=

+

=

ϕ

ϕ

ξη

xy

y

x

J

J

J

J

 

Wynika stąd, że dla kątów 

η

ξ

ω

ω

ϕ

=

=

 wyznaczonych poprzednio, dla których 

spełnione jest powyższe równanie, będziemy mieli 

0

=

ξη

J

Te dwa kąty 

ω

 posiadające omówione własności wyznaczają tzw. główne osie 

bezwładności. 

 

 

Głównymi osiami bezwładności figury płaskiej związanymi z 
pewnym punktem O nazywamy osie, dla których odśrodkowy moment 
bezwładności figury jest równy zeru. 
Moment bezwładności  względem jednej z nich jest największy, 
względem drugiej najmniejszy ze wszystkich możliwych momentów 
bezwładności tej figury względem różnych osi przechodzących przez 
punkt O.

 

 

 

Należy tu jeszcze zwrócić uwagę, że dla różnych punktów figury otrzymamy 

inne główne osie bezwładności i momenty obliczone względem nich będą dla 
każdego punktu inne. 

 

16

background image

Jeżeli jako punkt O obierzemy środek ciężkości figury to wtedy osie główne 
nazywamy  głównymi  środkowymi osiami bezwładności, a momenty obliczone 
względem takich osi nazywamy głównymi środkowymi momentami bezwładności 

 

Ze wzoru Steinera wynika wniosek, że moment bezwładności względem 

jednej z głównych  środkowych osi bezwładności jest najmniejszym momentem 
bezwładności figury w ogóle. 
Względem drugiej osi moment jest największy ze wszystkich momentów 
bezwładności, ale tylko względem osi przechodzących przez środek ciężkości. 
 
 

Tok postępowania przy poszukiwaniu głównych środkowych  
osi bezwładności i głównych środkowych momentów bezwładności 

 

 

1.  Założenie dowolnego układu osi xy
2.  Znalezienie współrzędnych środka ciężkości. 

A

S

y

A

S

x

x

o

y

o

=

=

;

 

3.  Przeprowadzenie przez środek ciężkości O osi x

o

y

o

 (osie środkowe). 

4.  Obliczenie 

 oraz 

.

 

o

x

J

o

y

J

o

o

y

x

J

5.  Znalezienie położenia głównych środkowych osi bezwładności 

o

x

y

y

x

x

y

y

x

x

y

y

x

i

J

J

J

arctg

J

J

J

arctg

J

J

J

tg

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

o

90

2

2

2

2

2

2

+

=

′′

=

=

=

ω

ω

ω

ω

ω

 

6.  Obliczenie głównych środkowych osi bezwładności 

          

 

ϕ

ϕ

ϕ

ξ

2

sin

sin

cos

2

2

xy

y

x

J

J

J

J

+

=

 

17

background image

   (a)  

 

ω

ω

ω

+

=

2

sin

sin

cos

2

2

o

o

o

o

og

y

x

y

x

x

J

J

J

J

 

     

 

ϕ

ϕ

ϕ

η

2

sin

cos

sin

2

2

xy

y

x

J

J

J

J

+

+

=

   (b)  

 

ω

ω

ω

+

+

=

2

sin

cos

sin

2

2

o

o

o

o

og

y

x

y

x

y

J

J

J

J

          

0

=

og

og

y

x

J

 

 

Wzory (a) i (b) są uciążliwe w stosowaniu w związku z czym z postaci 
trygonometrycznej można przejść na postać algebraiczną dokonując pewnych 
podstawień  
Po dokonaniu formalnych przekształceń ostatecznie otrzymujemy: 

 

(

)

(

)

2

2

2

2

4

2

1

)

(

2

1

4

2

1

)

(

2

1

o

o

o

o

o

o

og

o

o

o

o

o

o

og

y

x

x

y

y

x

y

y

x

x

y

y

x

x

J

J

J

J

J

J

J

J

J

J

J

J

+

+

=

+

±

+

=

m

 

 
 
Jeżeli 

 to bierzemy pod uwagę znaki górne. 

o

o

y

x

J

J

>

Jeżeli 

 to bierzemy pod uwagę znaki dolne. 

o

o

y

x

J

J

<

 

Koło bezwładności Mohra  

 

Jeżeli dla pewnej figury znamy położenie głównych osi bezwładności 

związanych z pewnym punktem lub głównych  środkowych osi bezwładności, to 
obliczanie momentów bezwładności względem jakichś innych osi xy nachylonych 
w stosunku do poprzednich o pewien kąt 

ϕ

 możemy przeprowadzić za pomocą 

poprzednio zaprezentowanych wzorów. 

 

ϕ

ϕ

2

2

sin

cos

g

g

y

x

x

J

J

J

+

=

 

ϕ

ϕ

2

2

cos

sin

g

g

y

x

y

J

J

J

+

=

 

ϕ

2

sin

)

(

2

1

g

g

y

x

xy

J

J

J

=

Jeżeli zastosujemy tu znane wzory trygonometryczne 

 

18

background image

)

2

cos

1

(

2

1

cos

)

2

cos

1

(

2

1

sin

2

2

ϕ

ϕ

ϕ

ϕ

+

=

=

 

to otrzymamy: 

ϕ

2

cos

)

(

2

1

)

(

2

1

g

g

g

g

y

x

y

x

x

J

J

J

J

J

+

+

=

 

 

ϕ

2

cos

)

(

2

1

)

(

2

1

g

g

g

g

y

x

y

x

y

J

J

J

J

J

+

=

 

W ten sposób uzyskujemy ostatecznie trzy wzory: 

ϕ

2

cos

)

(

2

1

)

(

2

1

g

g

g

g

y

x

y

x

x

J

J

J

J

J

+

+

=

 

ϕ

2

cos

)

(

2

1

)

(

2

1

g

g

g

g

y

x

y

x

y

J

J

J

J

J

+

=

 

ϕ

2

sin

)

(

2

1

g

g

y

x

xy

J

J

J

=

 
Wielkości 

 i 

  łatwo można wyznaczyć dla każdego kąta 

x

J

y

J

xy

J

ϕ

 na 

podstawie koła Mohra, które buduje się następująco: 
Na pewnej osi odkładamy, w przyjętej skali, wartości momentów bezwładności 
danej figury względem głównych osi bezwładności. Następnie zakreślamy koło o 
średnicy równej  

)

(

g

g

y

x

J

J

 

i środku K na przyjętej osi. 
Łatwo zauważyć, że: 

)

(

2

1

g

g

y

x

J

J

OK

+

=

 
Chcąc znaleźć momenty bezwładności danej figury względem osi xy tworzących z 
osiami głównymi kąt 

ϕ

, to odkłądamy kąt dwa razy większy w punkcie K i 

prowadzimy odpowiednią  średnicę. Wyznacza ona punkty A i B na kole, a ich 
rzuty na oś J

x

, J

y

 określają wielkości J

x

 i J

y

 

 

19

background image

 

 

 
Na podstawie koła Mohra można wykonać także czynności odwrotną, niż 
przedstawiono wyżej i wyznaczyć położenie głównych osi bezwładności i 
wielkości momentów głównych względem tych osi. 

 

6. PROMIEŃ BEZWŁADNOŚCI FIGURY PŁASKIEJ 

 

W zagadnieniach geometrii figur płaskich obok wcześniej poznanych 

wielkości występuje wielkość zwana promieniem bezwładności pola figury 
względem osi. 
Określa ją wzór: 

 

 

  

A

J

i

x

x

=

 

gdzie: 

x

i

   - promień bezwładności pola względem osi x

x

J

   - moment bezwładności pola względem osi x

A  

- pole danej figury. 

 
Jednostką promienia bezwładności jak wynika ze wzoru jest jednostka długości 
[cm], [m]. 

x

x

J

i

A

=

2

 

 

 

20

background image

 

Końce promieni bezwładności układają się dla dowolnych osi mających swój 
początek w punkcie O w elipsę. 
Jest to tzw. elipsa bezwładności

 

 

21