3.3.O
Gegeben
Es geht um einen homogen gefüllten Kreiszylinder.
Symbole:
Der Kreiszylinder hat den Radius \(r\) und die Masse \(m\).
Der Trägheitstensor dieses Körper bezüglich O wird beschrieben über seine \((x,y,z)\)-Komponenten.
a) xx-Komponente
Für die gegebenen Symbole: Berechnen Sie die \(xx\)-Komponente des Trägheitstensors bzgl. O:
Verwenden Sie Zylinderkoordinaten \((\tilde r,\varphi, z)\) definiert wie üblich als:
Hinweis
Verwenden Sie folgendes Integral mit Integrationskonstante \(C\):
Zeigen Sie, dass:
Verwendung von Zylinderkoordinaten: \(\Theta_1\) und \(\Theta_2\) einsetzen liefert:Lösung
b) yy-Komponente
Zeigen Sie, dass:
\(\Theta_{yy}=\Theta_{xx}\) gilt aufgrund der Symmetrie.Lösung
c) zz-Komponente
Zeigen Sie, dass:
Lösung
d) Komponenten für Größen
Für die gegebenen Größen:
Berechnen Sie \(\Theta_{xx}, \Theta_{yy}, \Theta_{zz}\). Und zeigen Sie, dass:
Einsetzen von in \(\Theta_{xx}=\Theta_{yy}= m\left( \tfrac{r^{2}}{4} + \tfrac{a^{2}}{3}\right )\) und in \(\Theta_{zz}=\tfrac 1 2 m r^2\) führt auf:Lösung
Source Code eines Programms dazu: Programm ausführen? Dazu: Copy: Source Code in die Zwischenablage kopieren. Paste: Source Code ins Eingabefeld hinter Play: Knopf SymPy
from sympy.physics.units import kg, m, s
from sympy import pi, S, pprint, symbols, cos, sin, Matrix, Eq, solve, sqrt, exp, simplify
from sympy import integrate
# Units:
N = kg*m/s**2
k, M, G = 10**3, 10**6, 10**9
kN = k*N
Pa = N/m**2
MPa, GPa = M*Pa, G*Pa
deg = pi/180
half = S(1)/2
cm = m/100
mm = m/1000
# ---
rho, R, a = symbols("rho, R, a")
# Polar coordinates:
z, phi, r = symbols("z, phi, r")
x = r*cos(phi)
y = r*sin(phi)
# Mass:
M = symbols("M")
sub_list = [
( R, 1 *m ),
( a, sqrt(3)/2 *m ),
( M, 4 *kg ),
]
pprint("\nΘxx: ")
tmp = (y*y + z*z) *r
tmp = integrate( tmp, (r, 0, R ) )
tmp = integrate( tmp, (phi, 0, 2*pi) )
tmp = integrate( tmp, (z, 0, a ) )
tmp = rho*tmp
tmp = tmp.simplify()
tmp = tmp.subs(rho*pi*R*R*a, M)
tmp = tmp.simplify()
tmp = tmp.cancel()
pprint(tmp)
pprint("\nΘxx / (kg m²): ")
tmp = tmp.subs(sub_list)
tmp /= kg*m**2
pprint(tmp)
pprint("\nΘyy: ")
tmp = (x*x + z*z) *r
tmp = integrate( tmp, (r, 0, R ) )
tmp = integrate( tmp, (phi, 0, 2*pi) )
tmp = integrate( tmp, (z, 0, a ) )
tmp = rho*tmp
tmp = tmp.simplify()
tmp = tmp.subs(rho*pi*R*R*a, M)
tmp = tmp.simplify()
tmp = tmp.cancel()
pprint(tmp)
pprint("\nΘyy / (kg m²): ")
tmp = tmp.subs(sub_list)
tmp /= kg*m**2
pprint(tmp)
pprint("\nΘzz: ")
tmp = (x*x + y*y) *r
tmp = (x*x + z*z) *r
tmp = integrate( tmp, (r, 0, R ) )
tmp = integrate( tmp, (phi, 0, 2*pi) )
tmp = integrate( tmp, (z, 0, a ) )
tmp = rho*tmp
tmp = tmp.simplify()
tmp = tmp.subs(rho*pi*R*R*a, M)
tmp = tmp.simplify()
tmp = tmp.cancel()
pprint(tmp)
pprint("\nΘzz / (kg m²): ")
tmp = tmp.subs(sub_list)
tmp /= kg*m**2
pprint(tmp)
[ ]: einfügen.▶ drücken.