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【原創文章】曲線弧的轉動慣量
1樓 巨大八爪鱼 2016-10-6 20:48

設曲線弧L的兩端分別為A、B,L上有一動點P(x, y),且弧AP的長度為s。以P為端點取一段弧長為△s的弧,弧的另一端為 Q,那麼弧AQ的長度就為s+△s,Q的坐標為(x+△x,y+△y),也就是說Q的坐標相對於P的增量為(△x,  △y)。這裡s為自變量,由於其本身就是線性增長的,因此沒有高階無窮小部分,它的微分等於其增量的精確值(微分等於改變量的精確值減去高階無窮小部分),因此,ds=△s。如果△s→(趨於)0的話,那麼點Q就會無限地靠近P。

2樓 巨大八爪鱼 2016-10-6 20:49
x, y都是自變量s的函數,即x=x(s), y=y(s)。因此,x, y都是因變量,屬於非線性增長,其增量的高階無窮小部分不一定為0,此時dx≈△x,dy≈△y。只有x, y都是自變量的情況下,Q的坐標才為(x+dx, y+dy),但是這樣的話ds就不等於△s了,因為此時s成了x, y的二元函數。
若L的線密度為ρ (x, y) = xy的話,那麼弧段PQ的質量的微分就為dm=xyds。dm是該弧段的精確質量△m去掉了高階無窮小後的線性部分,它是△m的近似值(注意:m是整個弧段的質量)。要求出△m的準確值,就必須對dm進行積分:

5樓 巨大八爪鱼 2016-10-6 21:01
如果讓P點和A點重合,Q點和B點重合,也就是s=0,ds=L的弧長時,△m=m,這樣我們就可以求出整個曲線弧的質量:

在物理書上可查到轉動慣量的計算公式為:

其中r為弧段端點到轉軸的距離,dm為弧段的質量。
若轉軸為y軸,那麼P點到轉軸的距離r就等於x,因此,整個曲線弧的轉動慣量為

6樓 巨大八爪鱼 2016-10-6 21:02
其中的被積表達式表示弧段PQ的轉動慣量的近似值:

因為我們只取了P到y軸的距離r,沒有考慮Q(當然還包括其他點)到y軸的距離相對於r的增量。也就是說,我們把弧段PQ想像成了與y軸平行的直線段了,這樣得到的結果必然是近似值。不過,我們卻可以通過積分運算得到精確值。
7樓 巨大八爪鱼 2016-10-6 21:04
如果這段弧是x軸上的一段直線,那麼直接用定積分計算就可以了,不需要用到曲線積分。
8樓 巨大八爪鱼 2016-10-6 21:12
這個例子說明了,ds根本就不是弧長增量△s→ 0的記號,而是表示△s去掉了高階無窮小後的線性部分。
9樓 巨大八爪鱼 2016-10-6 21:23
xyds等於dm而不等於m的原因也是一樣,因為我們只考慮了P點的線密度,沒有考慮其他點的線密度增量,直接拿P點的線密度與弧長的準確值△s相乘了,所以得到的是近似值,而非精確值。要得到精確值仍需要積分。

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