7.1 Die kinetische Energie und der Trägheitstensor

Ein starrer Körper ist dadurch definiert, dass die Relativgeschwindigkeit aller Massenpunkte bezogen auf das köperfeste System verschwindet ( ). Somit gilt mit den Ergebnissen aus Kapitel 6.1 für einen beliebigen Massenpunkt ( Relativkoordinate)

   

Die kinetische Energie des starren Körpers ist dann

 
   

Für den Mischterm gilt (beachte die Definition der Schwerpunktkoordinate)

 
   

Da die Relativkoordinate bezogen auf den Schwerpunkt ist, ist die Schwerpunktkoordinate bezogen auf das Schwerpunktsystem, also . Somit verschwindet der Mischterm und man erhält

 
 
 

Wie bereits intuitiv erwartet, erfolgt die Zerlegung der Bewegung in eine Translation des Schwerpunktes und eine Rotation um eine beliebige Achse durch den Schwerpunkt. Für das Quadrat des Kreuzprodukts erhält man aus allgemeinen Überlegungen

 
   

und somit für die kinetische Rotationsenergie

   

Auswertung der Skalarprodukte in einem kartesischen Koordinatensystem, d.h. mit

   

und

   

ergibt

 
   
   

Definiert man mit

   

die Matrixelemente des symmetrischen Trägheitstensors

   

so erhält man für die kinetische Rotationsenergie

   

(Mathematisch ist eine symmetrische Bilinearform). Die Diagonalelemente der Trägheitsmatrix nennt man Trägheitsmomente, die außerdiagonalen Elemente Deviations- (oder Lager-) momente. Wir werden später sehen, dass sie ein Maß für die auf die Drehache wirkenden Drehmomente sind. Haben wir es mit einer kontinuierlichen Massenverteilung der Dichte zu tun - anstatt mit einem Drahtgittermodell diskreter starr verbundener Massenpunkte - so gilt für die Elemente der Trägheitsmatrix

   

wobei die Integration über die kartesischen Komponenten ( ) des Volumens des starren Körpers auszuführen ist.



M. Keim, H.J. Lüdde