Momentos de Inercia Respecto a Ejes Inclinados
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INTRODUCCION
La inercia es la propiedad de la materia que hace que ésta resista a cualquier
cambio en su movimiento, ya sea de dirección o de velocidad. Esta propiedad se
describe con precisión en la primera ley del movimiento del científico británico
Isaac Newton, que dice lo siguiente: un objeto en reposo tiende a permanecer en
reposo, y un objeto en movimiento tiende a continuar moviéndose en línea recta, a
no ser que actúe sobre ellos una fuerza externa. El momento de inercia o inercia
rotacional es una medida de la inercia rotacional de un cuerpo. Más
concretamente el momento de inercia es una magnitud escalar que refleja la
distribución de masas de un cuerpo o un sistema de partículas en rotación,
respecto al eje de giro. El momento de inercia sólo depende de la geometría del
cuerpo y de la posición del eje de giro; pero no depende de las fuerzas
que intervienen en el movimiento. El momento de inercia desempeña un papel
análogo al de la masa inercial en el caso del movimiento rectilíneo y uniforme. Es
el valor escalar del momento angular longitudinal de un sólido rígido.
MOMENTOS DE INERCIA RESPECTO A EJES INCLINADOS
En el diseño estructural y mecánico, a veces es necesario calcular los momentos y
el producto de inercia Iu, Iv e Iuv para un área con respecto a un conjunto de ejes
inclinados U y V cuando se conocen los valores de θ, Iu, Iv e Iuv. Para hacer esto
usaremos las ecuaciones de transformación que relacionan las coordenadas x, y,
u, v.
Respecto a un sistema de ejes inclinados u, v conocidos los valores de θ, Ix, Iy e Ixy
Usamos ecuaciones de transformación que relacionan los ejes x, y con los
u, v
u=xcos θ+y sin θ
v=y cosθ−x sin θ
dIu=v2 dA=( y cosθ−x sin θ )2dA
dI v=u2 dA=( x cosθ+y sin θ )2dA
dIuv=uvdA=( xcos θ+y sin θ )( y cos θ−xsin θ )dA
Integrando,
Iu=I x cos2θ+I y sin2θ−2Ixy sin θ cos θ
Iv=I x sin2θ+I y cos2θ+2Ixy sin θ cosθ
Iuv=I x sin θ cosθ−I y sin θ cosθ+2Ixy (cos2θ−sin2θ)
Simplificando mediante identidades trigonométricas,
sin2θ=2sin θ cosθ
cos2θ=cos2θ−sin2θ
Podemos simplificar en
Iu=Ix+I y + Ix − I y =cos2θ−Ixy sin2θ 2 2Iv= I x +I y − Ix − I y cos2θ+I xy sin2θ 2 2Iuv= Ix − I y sin2θ+2Ixy cos2θ
2
El momento polar de inercia respecto al eje z que pasa a través del punto O es,
J O=Iu+I v=I x+I y
Momentos principales de Inercia
Iu, Iv, Iuv dependen del Angulo de inclinación θ de los ejes u, v
El Angulo θ = θp define la orientación de los ejes
Principales del área
dIudθ
=¿−2 ( Ix−I y2
¿ sin2θ−2Ixy cos2θ=
θ=θptan2θp=−I xy (Ix−I y)/2
Momentos principales de Inercia
• Sustituyendo cada una de las razones para el seno y
El coseno, tenemos
Imin= (Ix+I y)/2√ ¿)2 +I2xy
Max
• Los resultados dan el momento de inercia max y min para el área
• Se puede demostrar que Iuv = 0, i.e. el producto de inercia respecto a los ejes
principales es cero
• Cualquier eje simétrico representa un eje principal de inercia para el área
EJEMPLO:
Determine los momentos principales de inercia para la sección transversal de la
viga respecto a un eje que pasa por el centroide.
SOLUCION:
El momento y el producto de inercia de la sección resulta,
Ix=2. 90(109) mm4 I y=5. 60 (109) mm4 I z=−3. 00 (109) mm4
Usando los ángulos de inclinación de los ejes principales u, v
tan2θp=−I xy
( Ix−I y )/2=3.00 (109)
[2.90(109)−5 .60(109)] /2=-2.222θp1=−65 .8°, 2θp2=114 .2°
⇒θp1=−32 .9°, θp2=57.1°
Para los momentos principales de inercia a u, v:
Iminmax=
I x+ I y2
±√ ( I x−I y2
)2 +I xy2
2.90 (109)+5 .60(109)2
± √[ 2.90 (109 )−5.60 (109 )2 ]∧2+ [-3.00 (109)]2
Iminmax=4. 25 (109)±3. 29 (109)
⟹ Imax=7.54 (109 )mm4 , Imin=0.960(109)mm4