Ο ομογενής, πολύ λεπτός, δίσκος του σχήματος, μπορεί να στρέφεται σε επαφή με λείο οριζόντιο επίπεδο, γύρω από σταθερό (πραγματικό άξονα) z, ο οποίος περνά από το κέντρο του Κ όπως στο σχήμα, με γωνιακή ταχύτητα ω .
Τότε ο δίσκος έχει στροφορμή ως προς το κέντρο μάζας Κ, με μέτρο Lz=Ιcm∙ω και με διεύθυνση του άξονα, ίδια δηλαδή με τη διεύθυνση της γωνιακής ταχύτητας ω . Μπορούμε δηλαδή να γράψουμε:
Κάποια στιγμή αφαιρούμε τον άξονα z (φανταστείτε ένα καρφί στο έδαφος, το οποίο βγάζουμε). Ο δίσκος θα συνεχίσει την περιστροφή του, σαν να μην άλλαξε κάτι, απλά τώρα η περιστροφή θα πραγματοποιείται γύρω από έναν νοητό, φανταστικό, ελεύθερο άξονα z΄, ο οποίος θα έχει πάρει τη θέση του πραγματικού άξονα z.
Διαβάστε τη συνέχεια σε pdf.
ή
Κύριος ή πρωτεύον άξονας στερεού.
Κύριος ή πρωτεύων άξονας στερεού.
![]()
Συμφωνώ. Όταν περιστρέφεται και αφαιρούμε τον υλικό άξονα, να συνεχίζει να περιστρέφεται περί αυτόν.
Αυτό που δεν συμβαίνει δηλαδή με τον Z1.
Βλέπω τους κύριους άξονες σχετιζόμενους με το ελεύθερο στερεό.
“Αυτό που δεν συμβαίνει δηλαδή με τον Z1.”
Γιατί δεν συμβαίνει;
Δεν καταλαβαίνω…
Λες:
Σε μια στιγμή αφαιρούμε τη μάζα, ενώ μέσω κατάλληλου μηχανισμού ασκούμε στο άκρο της ακτίνας ΚΟ, μια κατακόρυφη δύναμη με μέτρο ίσο με mg και μια οριζόντια με φορά προς το Ο και με μέτρο mω2x.
Μα τότε δεν είναι ελεύθερο στερεό. Είναι ένα στερεό κάτω από την δράση ενός μηχανισμού. Με άλλον κατάλληλο μηχανισμό μπορούμε να το κάνουμε να κινηθεί όπως θέλουμε.
Έχουμε έναν δίσκο και του κόβουμε τον μισό δίσκο. Με κατάλληλο μηχανισμό μπορούμε να αναγκάσουμε το απομένον κομμάτι να περιστρέφεται περί το πρώην κέντρο με την ίδια διεύθυνση στροφορμής. Σημαίνει αυτό ότι ο κύριος άξονας του δίσκου είναι και κύριος άξονας του μισού δίσκου;
Επανέρχομαι στο σχήμα του Feynman:
Όταν ο δίσκος (δίσκο ήθελα να σχεδιάσω) στρέφεται περί τον άξονα του σχήματος, η στροφορμή και η γωνιακή του ταχύτητα έχουν ίδια διεύθυνση. Επίσης τα γινόμενα αδράνειας είναι μηδενικά, αν οι άλλοι δύο άξονες βρίσκονται στο επίπεδο του δίσκου. Ο τανυστής διαγώνιος. Δεν θέλεις τανυστές και γινόμενα αδράνειας;
Ας τα κόψω και ας περιοριστώ στη σχέση στροφορμής και γωνιακής ταχύτητας.
Είναι κύριος άξονας;
Θα περιστρέφεται και ελεύθερα (χωρίς μηχανισμό) περί αυτόν;
Είναι άξονας με μέγιστη ή ελάχιστη ροπή αδράνειας;
Είπες ότι αν βγάλουμε το μαζάκι πρέπει να ασκήσουμε δύναμη με κατάλληλο μηχανισμό ώστε να συνεχίσει να στρέφεται περί τον Ζ1.
“Μα τότε δεν είναι ελεύθερο στερεό. Είναι ένα στερεό κάτω από την δράση ενός μηχανισμού. Με άλλον κατάλληλο μηχανισμό μπορούμε να το κάνουμε να κινηθεί όπως θέλουμε.”
Γιάννη μην παίζεις με τις λέξεις…
Είδες ότι περιέγραψα τι κάνει ο μηχανισμός!!!
Απλά ασκεί δύο δυνάμεις.
Σβήσε λοιπόν τη λέξη “μηχανισμός” και γράψε ασκούμε δύο δυνάμεις!
Είναι τώρα ελεύθερο στερεό ή όχι;
Οι άσκηση κάποιας δύναμης καθιστά μη ελεύθερο το στερεό;
Όσον αφορά το σχήμα που δίνεις ο άξονας είναι πλάγιος στο επίπεδο του δίσκου;
Δεν μπορώ να απαντήσω, αλλά είναι η συνολική στροφορμή πάνω στον άξονα αυτό; Δεν μου μοιάζει…
Τι πιστεύω Διονύση:
Βιβλία γράφτηκαν όχι με τον καλύτερο τρόπο. Δεν έχουν κάποια κοινή αφετηρία, ούτε επικαλούνται ίδια κριτήρια.
Έτσι αποφεύγεται από κάποιους η διατύπωση περί διέλευσης των αξόνων από το κέντρο μάζας.
Γράφεται από κάποιους ότι “αν στρέφεται περί τον κύριο άξονα, η στροφορμή έχει ίδια διεύθυνση με την ω”, χωρίς να διευκρινίζεται αν εννοούν οιανδήποτε περιστροφή ή περιστροφή μόνο περί τον άξονα αυτόν, ήτοι επίπεδη κίνηση.
Στα φόρουμ δίνουν και παίρνουν συζητήσεις σχετικές.
Μου έρχεται καλύτερα αυτό που κατάλαβα ότι είπε ο Feynman. Είναι και χρήσιμο για την ελεύθερη κίνηση που θα ακολουθήσει. Σχετίζεται και με το θεώρημα της ρακέτας.
Τα υπόλοιπα είναι ιδιότητες των κυρίων αξόνων.
Αν πάρεις στα σοβαρά όλα όσα διαβάζουμε, πρέπει να δεχτείς ως κύριο άξονα του δίσκου αυτόν που σχεδίασα προηγουμένως. Είναι;
Το θέμα δεν είναι να απονείμουμε έναν τίτλο σε μια ευθεία. Ας την λέγαμε “σερ” ή “δούκα”.
Το θέμα είναι τι να κάνουμε όλη αυτήν την απειρία κυρίων αξόνων.
Και το επίθετο “κύριος” ΄ή “principal” χάνει την αξία του αν είναι ένας από έναν ετερόκλητο συρφετό.
Τι σόι “κύριος προπονητής” ή “κύριος κυβερνητικός εκπρόσωπος” είσαι αν υπάρχουν άλλοι 10 με τον ίδιο τίτλο;
Φυσικά είναι πλάγιος στο επίπεδο του δίσκου.
Γιατί δεν σου μοιάζει;
Ας υποθέσουμε ότι ο δίσκος περιστρέφεται μόνο περί τον άξονα αυτόν.
Όλα τα μαζάκια που αποτελούν τον δίσκο, δεν διαγράφουν κύκλους με κέντρα ευρισκόμενα επί του άξονος αυτού;
Η γωνιακή ταχύτητα κάθε μαζακίου και επομένως του δίσκου, δεν έχει την διεύθυνση του άξονα;
Η στροφορμή δεν έχει την διεύθυνση του άξονα;
Η ιστορία διαφοροποιείται αν έχουμε μια περιστροφή (ωx,ωy,ωz) και μια στρφορμή (Lx,Ly,Lz). Δηλαδή όχι επίπεδη κίνηση.
Γιάννη συνήθως αρνιόσουν να μπεις σε θέματα με ορισμούς, σήμερα θέλεις να ορίσεις… τους άξονες 🙂
Στα 9 λεπτά που πέρασαν σκέφτομαι το παράδειγμα με τον πλάγιο άξονα. Δεν μου αρέσει…
Πώς στο διάολο γυρνάει και πώς θα συνεχίσει την ίδια περιστροφή, αν φύγει ο πραγματικός άξονας και αντικατασταθεί με νοητό;
Όσο για τα υπόλοιπα, δεν διαφωνώ επί της ουσίας, αλλά περιμένω να μου πεις πού διαφωνείς σε αυτά που έχω γράψει παραπάνω. Ας ονομάσουμε τον άξονα Z1 …. τρεχαγυρευόπουλο!
Το ερώτημα είναι, αν τα διανύσματα ω και L είναι πάνω στον άξονα και αν μπορεί να φύγει ο άξονας και η περιστροφή να συνεχίσει…
Αρχικά γυρνάει διότι τον αναγκάζουμε. Όταν καταργηθεί ο μηχανισμός εξαναγκασμού φυσικά και δεν θα περιστρέφεται περί αυτόν. Θα περιστραφεί περί κύριο άξονά του. Διότι ο άξονας που σχεδίασα φυσικά και δεν είναι κύριος.
Θα ήταν κύριος αν η ροπή αδράνειας είχε μέγιστη ή ελάχιστη τιμή.
Τρεις είναι οι κύριοι άξονες.
Ο z με ροπή αδράνειας 0,5.m.R.R.
O x με ροπή αδράνειας 0,25.m.R.R.
Ο y με ροπή αδράνειας 0,25.m.R.R.
Η απουσία ενδιαμέσου άξονα καθιστά ευσταθείς και τις τρεις περιστροφές.
Λες στο τέλος:
Το ερώτημα είναι, αν τα διανύσματα ω και L είναι πάνω στον άξονα και αν μπορεί να φύγει ο άξονας και η περιστροφή να συνεχίσει…
Ναι πρέπει να μπορεί να συνεχιστεί η περιστροφή για να μιλάμε για κύριο άξονα.
Μου αρέσει όπως το έθεσε ο Feynman (ή έστω όπως κατάλαβα ότι το έθεσε). Βλέπω έναν τέτοιο ορισμό χρήσιμο σε προβλήματα. Βλέπω πλεοναστικό έναν ορισμό που καταλήγει ότι κάθε ευθεία τέμνουσα σφαίρα είναι κύριος άξονας της σφαίρας, ακόμα και αν δεν διέρχεται από το κέντρο μάζας.
Φοβάμαι και αποφεύγω ορισμούς. Όμως σχολιάζω ορισμούς αν οδηγούν σε “απειρίες” οριζομένων.
Άρα συμφωνούμε;
Προφανώς ο πλάγιος άξονας δεν είναι κύριος (και…με τρόμαξες 🙂 🙂 )
Το έχω γράψει από την αρχή νομίζω.
Να φύγει ο πραγματικός άξονας και να συνεχίσει η περιστροφή, σαν να μην άλλαξε κάτι…
Διονύση πρόκληση έβαλα.
Πήρα περιπτώσεις κραγμένες. Περιπτώσεις που δεν θα χαρακτηρίσει κάποιος ως “κύριους άξονες”. Περιπτώσεις που βγάζουν μάτι. Οι περιπτώσεις όμως αυτές πληρούν τα κριτήρια που οι συνομιλητές μου επικαλούνται.
Λέω λοιπόν:
-Πιστεύεις ότι είπες πριν;
-Ναι το πιστεύω.
-Τότε υποχρεούσαι να δεχθείς ότι κύριος άξονας είναι η σαχλαμάρα που σχεδίασα.
Ο συνομιλητής έχει δύο επιλογές:
1. Να πει:
-Ναι είναι.
2. Να σκεφτεί την “θέαση” υπό το πρίσμα της μεγιστοποίησης της ροπής αδράνειας ταυτοχόνως με την διέλευση από το κ.μ.
Καλησπέρα
Διονύση αν κατάλαβα καλά ( είναι και βράδυ…) λες ότι ο άξονας Ζ1 μπορεί να θεωρηθεί κύριος άξονας του δίσκου ( μόνο του δίσκου χωρίς τη μάζα στο άκρο του). Αυτό σημαίνει ότι αν βγάλω τον αρχικά πραγματικό άξονα που περνάει από το Ζ1, ο δίσκος θα συνεχίσει να περιστρέφεται γύρω από αυτόν;
Μόλις πήρα χαμπάρι την καινούργια κουβέντα για κύριους άξονες. Είχα μείνει στην παλιά.
Ευχαριστώ για την αφιέρωση Διονύση αν και άλλοι συνάδελφοι συνεισέφεραν περισσότερο. Έξυπνη και διδακτική όπως πάντα και η συγκεκριμένη σου άσκηση.
Εγώ μίλησα για κύριους άξονες με βάση τον ορισμό (νομίζω διεθνή) ότι τέτοιους ονομάζουμε τους άξονες γύρω από τους οποίους αν γυρίζει ένα στερεό τα ω και L είναι συνευθειακά. Και τέτοιοι μπορούν να βρεθούν για κάθε σημείο του στερεού.
Βεβαίως άξονες με άλλες ιδιότητες μπορεί να υπάρχουν και υπάρχουν, Αντί για ονοματολογία πιο ουσιαστικό, νομίζω, θα είναι να περιγράφουμε τι ακριβώς συμβαίνει αν το στερεό περιστρέφεται γύρω από αυτόν.
Καλησπέρα σε όλους,
Διονύση και τα δικά μου συγχαρητήρια που επαναφέρεις το θέμα με τους κύριους άξονες.
Νομίζω έχει γίνει ξεκάθαρο ότι οι διευθύνσεις των κύριων αξόνων σχετίζονται με τη διαγωνοποίηση του τανυστή αδράνειας ως προς κάποιο σύστημα αναφοράς Ο xyz, από όπου προσδιορίζονται τρεις νέες διευθύνσεις x΄, y΄, z΄ που ορίζουν ένα νέο σύστημα Ο x΄y΄z΄. Κάθε άλλο σύστημα Ο΄ x΄y΄z΄ με παράλληλους άξονες είναι σύστημα κύριων αξόνων (προφανώς και το CM x΄y΄z΄).
Σε κάθε τέτοιο σύστημα, ο πίνακας του τανυστή αδράνειας έχει μόνο τρία μή μηδενικά στοιχεία στη διαγώνιο που είναι οι αντίστοιχες ροπές αδράνειας ως προς τους αντίστοιχους άξονες x΄, y΄, z΄.
Κατά την περιστροφή ως προς κάποιον από αυτούς τους άξονες, τα διανύσματα στροφορμής και γωνιακής ταχύτητας θα είναι συγγραμμικά: L = I ω.
Στην πράξη, απλοποιούμε τους υπολογισμούς της διαγωνιοποίησης αν διαπιστώσουμε ότι:
α) υπάρχει αξονική συμμετρία στο στερεό, οπότε αυτή καθορίζει και τη διεύθυνση ενός κύριου άξονα.
β) υπάρχει κατοπτρική συμετρία ως προς κάποιο επίπεδο, οπότε πάλι η κάθετη στο επίπεδο αυτό διεύθυνση αποτελεί διεύθυνση κύριου άξονα. Π.χ. σε ένα “επίπεδο” στερεό (πολύ λεπτού πάχους), όπως π.χ. ένας δίσκος, πλάκα, κλπ. κάθε άξονας κάθετος στο επίπεδό του είναι κύριος άξονας. Πράγματι το επίπεδο ενός τέτοιου στερεού είναι επίπεδο κατοπτρικής συμμετρίας (αφού για κάθε “τίποτα” πάνω από αυτό το επίπεδο, υπάρχει ένα αντίστοιχο “τίποτα” συμμετρικά από κάτω 🙂 ).
Στη βιβλιογραφία είναι ίσως κάπως ασαφές αν “πρωτεύοντες άξονες (principal axes)” ενός στερεού θεωρούνται μόνο αυτοί που διέρχονται από το CM, ή συμπεριλαμβάνονται και όλοι οι παράλληλοι. Στις περισσότερες περιπτώσεις αναφέρεται “… ως προς οποιοδήποτε σημείο (συνήθως το CM) …”
Πάντως, ένα σύστημα κύριων αξόνων CM x΄y΄z΄ είναι σύστημα ελάχιστων ροπών αδράνειας σε σύγκριση με κάθε άλλο Ο΄ x΄y΄z΄ (όπως προκύπτει από το θεώρημα του Steiner), με προσδιορισμένες ροπές αδράνειας για κάθε στερεό, που μπορούν εύκολα να γραφούν σε πίνακες.
Ας δούμε ένα παράδειγμα με ράβδο. Στα σχήματα (1) και (2) πιο κάτω, οι αντίστοιχοι άξονες είναι κύριοι. Τα διανύσματα L και ω είναι συγγραμμικά. Ο 1ος περνάει από το CM και I₁ = Mℓ²/12 ενώ ο 2ος από την άκρη και Ι₂ = Mℓ²/3.
Στα (3) και (4) όμως οι άξονες δεν είναι κύριοι. Η στροφορμή L ως προς το σημείο περιστροφής (το CM ή το άκρο αντίστοιχα) δεν είναι συγγραμμική με την ω, η οποία είναι πάνω στον άξονα.
Μπορείτε να δείτε μια παλαιότερη μελέτη της τελευταίας περίπτωσης από τον Βαγγέλη Κορφιάτη, ΕΔΩ.