Demostración del Teorema de Steiner

Nació en la villa de Utzenstorf, Cantón de Berna en Suiza el 18 de marzo de 1796. A los dieciocho años fue alumno de Johann Heinrich Pestalozzi, y luego estudió en Heidelberg. Posteriormente viajó a Berlín, donde se ganó la vida dando clases y en donde fundó el periódico "Journal für die reine und angewandte Mathematik".

En 1832 a partir de la publicación de su trabajo "Systematische Entwickelungen" recibió un grado honorífico de la Universidad de Königsberg gracias a la influencia de Jacobi, quien así mismo promovió en 1834 la creación de una nueva cátedra de geometría en Berlín con el apoyo de los hermanos Alexander y Wilhelm von Humboldt. Steiner ocupó esta cátedra hasta su muerte, ocurrida en Berna, Suiza el 1 de abril de 1863.

En física, el teorema de Huygens-Steiner, teorema de los ejes paralelos o simplemente el teorema de Steiner es un teorema usado en la determinación del momento de inercia de un sólido rígido sobre cualquier eje, dado el momento de inercia del objeto sobre el eje paralelo que pasa a través del centro de masa y de la distancia perpendicular r entre ejes. También puede usarse para calcular el segundo momento de área de una sección respecto a un eje paralelo a otro cuyo momento sea conocido. Debe su nombre al geómetra suizo del siglo XIX Jakob Steiner.

Momento de inercia

Cuando un cuerpo rota alrededor de un eje principal de un momento de inercia I, el momento angular total

Los momentos de inercia de sólidos rígidos con una geometría simple son relativamente fáciles de calcular si el eje de rotación coincide con un eje de simetría. Sin embargo, los cálculos de momentos de inercia con respecto a un eje arbitrario puede ser engorroso, incluso para sólidos con alta simetría.

El radio de giro K es una cantidad física definida de modo que se cumple la siguiente relación:

En donde: M representa la masa del cuerpo rígido.

El radio de giro representa la distancia del eje a la cual se puede concentrar la masa del cuerpo sin variar su momento de inercia. Es una cantidad útil ya que puede determinarse para cuerpos que tienen una distribución homogénea de masa, y se puede determinar exclusivamente por su geometría.

Por lo tanto, El Teorema de Steiner o teorema de los ejes-paralelos a menudo simplifica los cálculos. Si conocemos el momento de inercia con respecto a un eje que pase por el centro de masa de un objeto, entonces podemos conocer el momento de inercia con respecto a cualquier otro eje paralelo al primero y que se encuentra a una distancia r.

Demostración del teorema de Steiner

Considere un cuerpo rígido que rota alrededor de un eje fijo que se encuentra desplazado una distancia R con respecto al punto de su centro de masa C.M; y es paralelo a dicho eje de rotación C.M. Como se muestra en la siguiente figura:

Considerando el momento de Inercia I o para el punto centro de masa C.M. resulta:

Considerando que las coordenadas del punto centro de masa C.M. se encuentra en el origen del sistema de referencia.

Ahora:

( Recuerde que en este caso consideramos las coordenadas del centro de masa en el origen).

Sustituyendo los valores de las integrales anteriormente calculadas en la ecuación (2), resulta:

El resultado anterior es nombrado el teorema de Steiner o de ejes paralelos.

Aplicación del teorema de Steiner

Considere un cilindro que rueda bajando por un plano inclinado que forma un ángulo (. Demuestre utilizando la expresión:

(3)

Que la aceleración de su centro de masa esta dada por:

Demostración.

El momento angular del cilindro de masa M y radio R, esta dado por:

(4)

Dado que: , en donde corresponde a la velocidad tangencial recorrida por el cilindro y corresponde a su velocidad angular.

Sustituyendo la expresión anterior en la ecuación (4) resulta:

Ahora:

(5)

En donde: corresponde a la torca aplicada al cilindro, es la aceleración angular y es la aceleración tangencial del cilindro.

Dado que y sustituyendo en la ecuación (5) resulta:

(6)

Ahora:

Considerando las expresiones anteriores en la relación (6), resulta:

Desarrollando:

Bibliografía

-Alonso M y Finn E Física Vol. I Mecánica Edit. Addison-Wesley Iberoamericana (1970)

– McGill D. y King W Mecánica para ingeniería y sus aplicaciones II Dinámica Edit Grupo editorial Iberoamericana (19991)

-Resnick R., Holliday D., Física vol. 1, CECSA, 1993

Autor:

José Jesús Mena Delgadillo