慣性特性特集: 慣性テンソルについて ~実験で部品のどのような値を測定するのか?~

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慣性テンソルの形 ~具体的に測定する値~

ここでは、実測する慣性テンソルが実際にはどのような形をしているかご紹介します。

なお、本質的にテンソルと行列とは全く別の物ですが、ここでの概略の説明範囲においては、慣性テンソルの「テンソル」は、高校数学で習う「行列」と呼ばれる数式記号と同じものとイメージしていただいて問題ありません。

慣性テンソルは慣性特性の項目の一つで、回転の力学計算に用いられる値です。3次元空間における慣性テンソルは、下記の通りになります。実際には Ixx, Ixy, Izz… には数値が入ります。

慣性特性

  • 重心位置
  • 質量
  • 慣性テンソル(任意の物体固定座標系の指定が必要)

※ 色は説明のために便宜上つけています
※ 画像はラグビーボールをイメージしています

慣性テンソルの成分は、次の2つの成分で呼び分けられます。

慣性モーメント
慣性乗積

慣性テンソルは、慣性乗積の値が対角に関して対象になっています。すなわち、

となっています。このように対角成分に関して対称なテンソルは、「対称テンソル」と呼ばれ、下記のように見やすく表記する事もできます。

※ sym. は、対称を意味する英語 symmetric の略
※ 画像はラグビーボールをイメージしています

慣性テンソルは、物体に固定された任意の座標系の指定が必要です。座標系原点を固定し座標系の向きを変えればそれに合わせて慣性テンソルの値も変化しますが、その中で慣性乗積が全て0になる特別な座標系の向きがあり、その座標軸を慣性主軸、その時の慣性モーメントを主慣性モーメントと呼びます。

また特に重心位置を座標系原点にした時の慣性主軸を重心慣性主軸と呼びます。

※ 画像はラグビーボールをイメージしています

重心慣性主軸、主慣性モーメントは、自動車の乗り心地性能と密接な関係があります。例えば、

  • 自動車のエンジン振動を吸収するエンジンマウント(振動吸収ゴム部品)は、エンジンの慣性主軸上に設置することで制振効果が高くなります。
  • 乗り心地に関係する自動車のローリング・ピッチング・ヨーイングなどの走行中の車体の傾き性能は、自動車のロー軸・ピッチ軸・ヨー軸と、車体の重心慣性主軸とのズレから分析する事ができます。

ここでは「慣性テンソル」の形だけをご紹介しました。

実際には、慣性テンソルは、3次元空間における3次元回転運動の力学計算式「角運動量の式」で利用されます。3次元空間の物体は、x, y, z軸回りだけに回転するわけではなく、x, y, z軸の中間方向にも、いろいろな方向に複雑に回転します。

このような3次元回転運動と慣性テンソルについて理解するには、まず、振り子のような、固定軸回りの単純な回転運動と慣性モーメントの関係を理解する事から段階的に理解されると、より理解しやすいでしょう。


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