โมเมนต์ความเฉื่อย

thumb|right|นักไต่ลวดสลิงใช้โมเมนต์ความเฉื่อยจากไม้เท้ายาวที่จะช่วยรักษาความสมดุล นี่คือ ซามูเอล ดิกสัน ขณะกำลังพยายามข้ามแม่น้ำไนแอการาในปี ค.ศ. 1890
**โมเมนต์ความเฉื่อย** () เป็นคุณสมบัติของวัตถุที่จะกำหนดค่าความต้านทานต่อการเปลี่ยนแปลงของความเร็วเชิงมุมรอบแกนของการหมุนของมัน มันเป็นวิธีการหมุนของวัตถุอันเป็นผลมาจากกฎการเคลื่อนที่ของนิวตัน ซึ่งระบุว่า "วัตถุทุกชนิดจะรักษาสภาพหยุดนิ่งหรือสภาพเคลื่อนที่อย่างสม่ำเสมอเป็นเส้นตรงนอกจากจะมีแรงลัพธ์ที่มีค่าไม่เป็นศูนย์มากระทำ" ในบริบทนี้ความเฉื่อยหมายถึงความต้านทานต่อการเปลี่ยนแปลง

โมเมนต์ความเฉื่อยถูกนำไปใช้กับการขยายตัวของวัตถุซึ่งมวลเป็นข้อจำกัดในการหมุนรอบแกน มันเกิดขึ้นจากการรวมกันของมวลและเรขาคณิตในการศึกษาการเคลื่อนที่ของวัตถุอย่างต่อเนื่อง ส่วนประกอบของอนุภาค หรือที่รู้จักกันในชื่อว่า พลศาสตร์ของวัตถุแข็งเกร็ง (Dynamics of rigid body) มันเป็นโมเมนต์ความเฉื่อยของขั้วเสาที่ดำเนินการโดยนักไต่ลวดสลิงที่ต่อต้านการหมุนและช่วยให้นักไต่ลวดรักษาความสมดุลไว้ได้

## บทนำ

[thumb|upright|[ล้อช่วยแรง (flywheel) เป็นวงล้อที่มีโมเมนต์ของความเฉื่อยที่มีขนาดใหญ่ที่ใช้ในการช่วยทำให้การเคลื่อนไหวในเครื่องจักรเป็นไปได้อย่างราบรื่น นี่คือตัวอย่างในพิพิธภัณฑ์รัสเซีย]]

เมื่อวัตถุกำลังหมุนรอบแกน, แรงบิดจะต้องถูกนำมาใช้เพื่อเปลี่ยนโมเมนตัมเชิงมุมของมัน ปริมาณของแรงบิดที่จำเป็นสำหรับการเปลี่ยนแปลงใด ๆ ก็ตามในโมเมนตัมเชิงมุมจะเป็นสัดส่วนกับขนาดของการเปลี่ยนแปลงนั้น ๆ ค่าคงที่ของความได้สัดส่วนเป็นคุณสมบัติของวัตถุที่รวมมวลและรูปร่างของมันเข้าไว้ด้วยกัน, ที่รู้จักกันว่าเป็นโมเมนต์ความเฉื่อย ในกลศาสตร์ดั้งเดิม

## นิยาม
โมเมนต์ความเฉื่อย I สามารถเขียนได้ในรูปของอัตราส่วนระหว่างผลรวมของโมเมนตัมเชิงมุมระบบกับความเร็วเชิงมุมรอบแกนหมุนหลักของระบบได้ ดังนี้
:I = \frac{L}{\omega}
ถ้าโมเมนตัมเชิงมุมของระบบมีค่าคงตัว แล้วโมเมนต์ความเฉื่อยจะมีค่าน้อยลง ในขณะที่ความเร็วเชิงมุมจะมีค่าเพิ่มขึ้น เมื่อรูปร่างของวัตถุไม่เปลี่ยนแปลง แล้วโมเมนต์ความเฉื่อยของระบบจะสามารถพิจารณาในเรื่องกฎการเคลื่อนที่ของนิวตันได้ นั่นคือโมเมนต์ความเฉื่อยจะอยู่ในรูปของอัตราส่วนระหว่างทอร์กที่มากระทำต่อระบบกับความเร่งเชิงมุมรอบแกนหมุนหลัก คือ
:\tau = I \alpha
สำหรับระบบเพนดูลัมอย่างง่าย สามารถนิยามโมเมนต์ความเฉื่อย I ได้ในรูปของผลคูณระหว่างมวลของวัตถุ m กับกำลังสองของระยะห่าง r จากจุดหมุนถึงวัตถุ
:I = mr^2
เพราะฉะนั้น โมเมนต์ความเฉื่อยของระบบจึงขึ้นกับมวล และรูปร่างของวัตถุ รวมถึงระยะห่างจากจุดหมุนถึงมวลด้วย

## ตัวอย่าง
### เพนดูลัมอย่างง่าย
โมเมนต์ความเฉื่อยสามารถหาได้จากเพนดูลัมอย่างง่าย เพราะมันมีความต้านทานการหมุนเนื่องจากแรงโน้มถ่วงของโลกอยู่ ในทางคณิตศาสตร์ โมเมนต์ความเฉื่อยของเพนดูลัมเป็นอัตราส่วนระหว่างทอร์กเนื่องจากแรงโน้มถ่วงกระทำรอบจุดหมุนกับความเร่งเชิงมุม สำหรับเพนดูลัมอย่างง่ายสามารถเขียนโมเมนต์ความเฉื่อย I ในรูปของผลคูณระหว่างมวลของวัตถุ m ต่อกำลังสองของระยะห่าง r จากจุดหมุนถึงวัตถุนั้น
:I = mr^2
โดยที่แรงโน้มถ่วงของโลกมากระทำต่อวัตถุของระบบเพนดูลัมอย่างง่าย แล้วทำให้เกิดทอร์ก \boldsymbol{\tau} = \mathbf{r} \times \mathbf{F} รอบแกนซึ่งตั้งฉากกับระนาบการหมุนของเพนดูลัม \mathbf{r} เป็นปริมาณเวกเตอร์ คือ ระยะห่างจากวัตถุถึงแรงที่มากระทำ มีทิศตั้งฉากกับแรงนั้น และ \mathbf{F} คือ แรงลัพธ์ที่กระทำต่อวัตถุนั้น สำหรับ \tau จะเกี่ยวข้องกับความเร่งเชิงมุม \mathbf{\alpha} และวัตถุจะถูกจำกัดการเคลื่อนที่ให้มีลักษณะเป็นวงกลมเท่านั้น โดยที่ความเร่งในแนวการเคลื่อนที่ คือ \mathbf{a} = \boldsymbol{\alpha} \times \mathbf{r}
:\begin{align}
  \boldsymbol{\tau}
    &= \mathbf{r} \times \mathbf{F}
     = \mathbf{r} \times (m \boldsymbol{\alpha} \times \mathbf{r}) \\
    &= m((\mathbf{r} \cdot \mathbf{r})\boldsymbol{\alpha} - (\mathbf{r} \cdot \boldsymbol{\alpha})\mathbf{r}) \\
    &= mr^2 \boldsymbol{\alpha}
     = I\alpha \mathbf{\hat{k}}
\end{align}
เมื่อ \mathbf{\hat{k}} เป็นเวกเตอร์หนึ่งหน่วย มีทิศตั้งฉากกับระนาบการเคลื่อนที่ของเพนดูลัม สำหรับ I = mr^2 จะปรากฏในโมเมนตัมเชิงมุมของเพนดูลัมอย่างง่าย ซึ่งคำนวณมาจากความเร็ว \mathbf{v} = \boldsymbol{\omega} \times \mathbf{r} ของเพนดูลัมรอบแกนหมุน โดยที่ \boldsymbol{\omega} เป็นความเร็วเชิงมุมของวัตถุรอบจุดหมุน สามารถเขียนโมเมนตัมเชิงมุมได้เป็น
:\begin{align}
  \mathbf{L}
    &= \mathbf{r} \times \mathbf{p}
     = \mathbf{r} \times (m\boldsymbol{\omega} \times \mathbf{r}) \\
    & = m((\mathbf{r} \cdot \mathbf{r})\boldsymbol{\omega} - (\mathbf{r} \cdot \boldsymbol{\omega})\mathbf{r}) \\
    &= mr^2 \boldsymbol{\omega}
     = I\omega\mathbf{\hat{k}}
\end{align}
นอกจากนี้ยังสามารถหาพลังงานจลน์ของเพนดูลัมได้ ซึ่งขึ้นกับมวลและความเร็วของวัตถุ คือ
:E_\text{K} = \frac{1}{2}m\mathbf{v} \cdot \mathbf{v} = \frac{1}{2}\left(mr^2\right)\omega^2 = \frac{1}{2}I\omega^2
ตามปกติแล้ว โมเมนต์ความเฉื่อยของระบบคือผลรวมค่า mr^2 ของทุก ๆ วัตถุในระบบนั้น คือ
:I = \sum_{i=1} m_i r_i^2

## เทนเซอร์ของความเฉื่อย
เมทริกซ์ของความเฉื่อยสามารถอธิบายได้โดยใช้เทนเซอร์ของความเฉื่อย ซึ่งจะประกอบด้วยโมเมนต์ความเฉื่อยในระบบพิกัด 3 แกน สามารถคำนวณผลลัพธ์ในเวลาเดียวกันได้ เมทริกซ์ของความเฉื่อยถูกสร้างจากเทนเซอร์ซึ่งมี 9 องค์ประกอบ เพื่อให้ง่ายต่อการคำนวณเราจะเขียนในรูปของเมทริกซ์
เทนเซอร์ดีกรีสองหรือที่เราเรียกว่า เมทริกซ์สำหรับเทนเซอร์ของความเฉื่อยแล้วเขียนในรูปเมทริกซ์ได้เป็น
: [I] = \begin{bmatrix}
I_{11} & I_{12} & I_{13} \\
I_{21} & I_{22} & I_{23} \\
I_{31} & I_{32} & I_{33}
\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}
I_{xx} & I_{xy} & I_{xz} \\
I_{yx} & I_{yy} & I_{yz} \\
I_{zx} & I_{zy} & I_{zz}
\end{bmatrix}


เป็นเรื่องที่เข้าใจได้ไม่ยากนัก เพราะวัตถุแข็งเกร็งในทางกลศาสตร์จะถูกกำหนดอย่างชัดเจนด้วยพิกัด x y z เช่น  I and I ในรูปขององค์ประกอบเทนเซอร์ของความเฉื่อย

## แกนมุขสำคัญของความเฉื่อย
พิกัดภายในวัตถุที่ทำให้เทนเซอร์ความเฉื่อยเป็นเมทริกซ์ทแยง

:[\Lambda]= \begin{bmatrix}
I_{1} & 0 & 0 \\
0 & I_{2} & 0 \\
0 & 0 & I_{3}
\end{bmatrix}


สำหรับวัตถุแข็งเกร็งจะมีแกนหมุนอย่างน้อยสามแกนตั้งฉากกันและกัน เรียกว่า แกนหลักของความเฉื่อย ซึ่งจะเป็นแกนที่วัตถุหมุนได้ง่ายที่สุดโมเมนตัมเชิงมุมจะมีทิศเดียวกับความเร็วเชิงมุม แกนหลักนี้อาจทับกับแกน xyz หรือไม่ทับกันก็ได้ เมื่อวัตถุแข็งเกร็งหมุนรอบแกนหลักสำคัญของความเฉื่อยแกนใดแกนหนึ่ง โมเมนตัมเชิงมุมของวัตถุเกร็งจะเท่ากับโมเมนต์ของความเฉื่อยของวัตถุรอบแกนนั้นคูณกับความเร็วเชิงมุมของวัตถุ 

เราพิจารณาทิศทางของโมเมนตัมเชิงมุมและความเร็วเชิงมุม จะเห็นได้ว่า โดยทั่วไปโมเมนตัมเชิงมุมไม่จำเป็นต้องมีทิศทางในแนวเดียวกับความเร็วเชิงมุม โมเมนตัมเชิงมุมของวัตถุในกรณีทั่วไปไม่จำเป็นต้องมีทิศทางเดียวกับความเร็วเชิงมุม

## วัตถุแข็งเกร็ง

[right|thumb|ตำแหน่งของวัตถุแข็งเกร็งจะพิจารณาจากจุดศูนย์กลางมวลของตัวมันเอง [Attitude (geometry)|attitude (อย่างน้อย 6 ตัวดำเนินการ)]] 

วัตถุแข็งเกร็ง (Rigid body) คือกลุ่มของอนุภาคที่มีระยะห่างระหว่างอนุภาคคงตัว อย่างไรก็ตามระยะระหว่างอนุภาคจะมีค่าคงตัวก็ต่อเมื่ออุณหภูมิมีขนาดศูนย์เคลวิน ดังนั้นที่อุณหภูมิห้อง ระยะระหว่างอนุภาคมีการเปลี่ยนแปลงตลอดเวลา เนื่องจากมีการสั่นของอนุภาคระยะที่ใช้จึงเป็นระยะเฉลี่ย หมายความว่าในการศึกษาการเคลื่อนที่ในระบบมหาภาค (macroscopic motion) จะไม่คำนึงถึงผลของระบบจุลภาค (microscopic motion) และในธรรมชาติวัตถุแข็งเกร็งจะมีความเสียรูป (deformation) เนื่องจากการเคลื่อนที่หรือการชนเกิดขึ้น ซึ่งในที่นี้ก็จะไม่คำนึงถึงเช่นเดียวกัน


## จลนศาสตร์ของวัตถุแข็งเกร็ง

### ตำแหน่งเชิงเส้นและเชิงมุม
**ตำแหน่งของวัตถุแข็งเกร็ง** คือ ตำแหน่งขององค์ประกอบของอนุภาคทั้งหมด เพื่อลดความซับซ้อนในการอธิบายของตำแหน่งดังกล่าว เราจะใช้คุณสมบัติที่วัตถุมีความแข็งเกร็ง ซึ่งทุก ๆ อนุภาคจะรักษาระยะห่างระหว่างอนุภาคอย่างเท่า ๆ กัน และถ้าหากวัตถุมีความแข็งเกร็ง อย่างน้อยจะอธิบายตำแหน่งของอนุภาค 3 อนุภาคที่ไม่เกิดการชน ซึ่งทำให้สามารถสร้างตำแหน่งของอนุภาคอื่น ๆ ทั้งหมด โดยที่ตำแหน่งของอนุภาคสามตัวที่ไม่ได้แปรเปลี่ยนตามเวลา และจะเรียบง่ายขึ้นถ้าใช้เทคนิคทางคณิตศาสตร์เข้ามาช่วย โดยมีธีการเทียบค่า ซึ่งตำแหน่งของวัตถุทั้งหมดอธิบายได้โดย 

#**ตำแหน่งเชิงเส้น** หรือ ตำแหน่งของวัตถุแข็งเกร็ง คือตำแหน่งของของอนุภาคทั้งหมด กล่าวคือตำแหน่งหนึ่งของวัตถุแข็งเกร็ง เลือกเป็นจุดอ้างอิงของทั้งวัตถุ (โดยทั่วไปจะเลือกใช้จุดศูนย์กลางมวล หรือจุดกึ่งกลางมวล)
#**ตำแหน่งเชิงมุมของวัตถุ**

ดังนั้น ตำแหน่งของวัตถุแข็งเกร็งจะมี 2 องค์ประกอบ คือ เชิงเส้น และเชิงมุม ตามลำดับ เช่นเดียวกันกับ **จลนศาสตร์** และ **พลังงานจลน์** ใช้ปริมาณอธิบายที่อธิบายการเคลื่อนที่ของวัตถุแข็งเกร็ง ที่มีทั้งเชิงเส้นและเชิงมุมเช่น ความเร็ว ความเร่ง โมเมนตัม การดล และพลังงานจลน์

**ตำแหน่งเชิงเส้น** สามารถที่จะแทนได้ด้วย เวกเตอร์ ซึ่งหางของเวกเตอร์ จะเริ่มต้นที่จุดอ้างอิงใด ๆ จากระบบพิกัด และ ปลายของเวกเตอร์จะชี้ไปยังจุดใด ๆ ที่เราสนใจบน วัตถุแข็งเกร็ง ซึ่งโดยปกติเริ่มจากจุดศูนย์กลางมวล หรือจุดกึ่งกลาง ซึ่งจุดอ้างอิงนี้หาได้โดย จุดกำเนิดของระบบพิกัดบนวัตถุแข็งเกร็ง

มีหลายทางในการคำนวณเพื่ออธิบาย แนวทางของ วัตถุแข็งเกร็ง ประกอบด้วย ชุดมุม 3 มุมของออยเลอร์ หรือ 4 มุม หรือ การใช้ เมททริกซ์ตรีโกณเมทริกซ์โดยตรง (อ้างอิงโดย เมทริกซ์การหมุน) กระบวนการทั้งหมดนี้ใช้แนวทางการหาค่าจาก ระบบพิกัด ซึ่งมีความสัมพันธ์กับวัตถุ หรือความสัมพันธ์ของระบบพิกัดจากการเคลื่อนที่ของวัตถุแข็งเกร็งจากการสังเกต

โดยทั่วไป เมื่อวัตถุแข็งเกร็งเคลื่อนที่ ทั้งตำแหน่ง และแนวทางจะขึ้นกับเวลา ในสัมผัสจลนศาสตร์ ซึ่งการเปลี่ยนแปลงนี้อ้างอิงถึงการเลื่อนที่ และการหมุน (คือหมุนไปด้วยและเคลื่อนที่ไปด้วย) ของวัตถุ โดยเริ่มต้นจากสมมติฐานที่อ้างอิงจากตำแหน่ง (ไม่จำเป็นต้องสอดคล้องกับตำแหน่งจริงที่วัตถุเคลื่อนที่)

### ความเร็วเชิงเส้นและความเร็วเชิงมุม
**ความเร็ว** หรือเรียกว่า ความเร็วเชิงเส้น และความเร็วเชิงมุม วัดได้โดยใช้กรอบอ้างอิง
ความเร็วเชิงเส้น ของวัตถุแข็งเกร็ง คือปริมาณเวกเตอร์ มีค่าเท่ากับอัตราการเปลี่ยนแปลงของเวลา เทียบกับตำแหน่งเชิงเส้นที่เปลี่ยนไป ดังนั้น ความเร็วจะอ้างอิงโดยถูกยึดกับตัววัตถุ ซึ่งมีเพียงการเลื่อนที่เท่านั้น (ไม่มีการหมุนเกิดขึ้น) ทุก ๆ จุดบท วัตถุแข็งเกร็ง เคลื่อนที่ด้วยความเร็ซที่เท่ากัน อย่างไรก็ตามเมื่อการเคลื่อนที่มีการหมุนด้วย ความเร็วเชิงเส้น และความเร็วเชิงมุมจะมีค่าไม่เท่ากัน แต่จะมีค่าเท่ากันถ้าการหมุนที่เกิดขึ้น ขนานไปกับแกนหมุน

**ความเร็วชิงมุม** คือ ปริมาณเวกเตอร์ที่อธิบายได้ด้วย อัตราเร็วเชิงมุม เมื่อเกิดการเปลี่ยนตำแหน่งของวัตถุแข็งเกร็งตามแนวแกนที่เกิดการหมุน (ซึ่งอธิบาย การที่แกนเกิดการหมุน ด้วยทฤษฎีบทการหมุนของออยเลอร์) และทุก ๆ จุดบนวัตถุแข็งเกร็ง จะมีความเร็วเชิงมุมเท่ากันในทุก ๆ เวลา ในขณะที่วัตถุแข็งเกร็งเกิดการหมุนเพียงอย่างเดียว ทุก ๆ จุดบนวัตถุแข็งเกร็งจะขึ้นอยู่กับ การหมุนของแกนเพียงอย่างเดียว ความสัมพันธ์ระหว่าง แนวทางกับความเร็วเชิงมุมไม่เกี่ยวข้องกันโดยตรงกับความสัมพันธ์ระหว่างตำแหน่งและความเร็วเชิงเส้น แนวทางของความเร็วเชิงมุม ไม่เปลี่ยนแปลงตามเวลา เพราะว่าไม่มีความสัมพันธ์เกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงระยะเชิงมุมกับความเร็วเชิงมุม

## โมเมนต์ความเฉื่อยของวัตถุรูปทรงต่าง ๆ

## อ้างอิง

หมวดหมู่:หลักการสำคัญของฟิสิกส์
หมวดหมู่:กลศาสตร์
หมวดหมู่:ปริมาณทางกายภาพ