科目
機械力学・振動工学
章
剛体の回転
図番
01 / 11
内容
シミュレータ・例題3問
機械力学・振動工学 1 / 11

同じ重さでも、輪は円板の2倍回しにくい慣性モーメント(回しにくさ)

回しにくさ J は「質量 × 軸からの距離²」の合計。半径を2倍にすると4倍、同じ質量でも輪は円板の2倍回しにくい。

作業台の上の台に、同じ大きさの鋼の円板と輪が並び、手が円板の外周に巻いた糸を引いている

まず触ってみる

数字を動かして、何が起きるかを見てから読み進めてください。課題つきの盤は、本文の「動かしてみよう」にあります。

このページの内容
  1. 同じ重さなのに、回り出しが違う
  2. 回しにくさに名前を付ける
  3. 遠い質量ほど、2乗で効く
  4. 輪は円板の2倍回しにくい
  5. 公式を、3つのかたまりに分けて読む
  6. どの数字がいちばん効く?
  7. 円板と輪に戻る
  8. 動かしてみよう
  9. よくある勘違い
  10. この公式が使える条件
  11. 例題

この単元のポイント

  1. 回しにくさ(慣性モーメント J\skrJ)は、質量 × 軸からの距離の2乗を全部足したもの。半径を2倍にすると、4倍回しにくい。
  2. 同じ質量・同じ半径でも、輪は円板の2倍回しにくい(mr2\skrm\skmR^2 と mr2/2\skrm\skmR^2/2)。
  3. 同じトルクで回すと、回しにくさが2倍なら、回る速さの増え方は半分(T=J α\skmT = \skrJ\,\skmAlpha)。

同じ重さなのに、回り出しが違う

自転車の車輪、こま、レコードプレーヤーの台、扇風機の羽根。どれも、軸のまわりに回る物です。

軸のまわりに回る物の例。自転車の車輪、こま、レコードプレーヤーの台、扇風機の羽根
図 1-01どれも、1本の軸のまわりに回ります。

回る物には、「回しにくさ」があります。回しにくい物は、回し始めるのに時間がかかります。止めるのにも時間がかかります。

ロボットの腕を、目標の向きへすばやく回したいとします。回しにくい腕だと、モータが同じ力で回しても、なかなか向きが変わりません。止めたいところで、止まりきれずに行き過ぎることもあります。

この単元では、2つの部品で考えます。どちらも質量 2 kg の鋼で、半径は 150 mm です。1つは、中まで詰まった円板。もう1つは、同じ鋼を外周に集めた、細い輪です(細いスポークで軸につなぎます)。

同じ大きさの円板と輪が、それぞれ軸に付いている。外周のいちばん上に付けた糸を、手が同じ力で横へ引いている。円板の横の青い円弧の矢印は大きく、輪の横の円弧は小さい
図 1-02同じ質量・同じ大きさの円板と輪を、同じ力で回し始めます。

軸に糸を巻いて、同じ力で引きます。どちらが速く回り出すでしょうか。差は何倍でしょうか。

予想してから読む同じ 2 kg・半径 150 mm の円板と輪。回しにくさは、輪が円板の何倍?

回しにくさに名前を付ける

まっすぐ押すときを思い出します。同じ力で押しても、質量の大きい台車ほど、速さがゆっくり増えます。高校の物理の F=maF = ma です。質量 m\skrm は「動かしにくさ」でした。

回すときにも、同じ形の決まりがあります。

T⏟回す力の効き目=J⏟回しにくさ×α⏟回る速さの増え方\underbrace{\skmT}_{\text{回す力の効き目}} = \underbrace{\skrJ}_{\text{回しにくさ}} \times \underbrace{\skmAlpha}_{\text{回る速さの増え方}}
  • トルク T\skmT 回す力の効き目です。力 × 軸からの距離で、単位は N·m。糸を 9 N で引き、糸を巻いた軸の半径が 50 mm なら、T=9×0.05=0.45 N⋅m\skmT = 9 \times 0.05 = 0.45\ \mathrm{N\cdot m} です。
  • 角加速度 α\skmAlpha 1秒ごとに、回る速さ(角速度 ω\skrOmega、1秒に回る角度 [rad/s])がどれだけ増えるかです。単位は rad/s²。
  • 慣性モーメント J\skrJ 回しにくさです。F=maF = ma の質量 m\skrm と同じ役をします。単位は kg·m²。

同じトルクなら、J\skrJ が2倍の物は、回る速さの増え方が半分になります。

J\skrJ の単位に m² が入っています。質量だけでなく、距離の2乗が入っている、という印です。

遠い質量ほど、2乗で効く

J\skrJ の中身は、次の足し算です。回る物を小さなかけらに分け、かけらの質量 × 軸からの距離²を、全部足します。

J=∑(かけらの質量×軸からの距離2)\skrJ = \sum \bigl(\text{かけらの質量} \times \text{軸からの距離}^2\bigr)

距離が2回かかるのには、2つの理由があります。

  1. 遠いかけらほど、速く動く。同じ角度だけ回るとき、軸から2倍遠いかけらは、2倍の道のりを動きます。速さを上げるには、2倍の力で押す必要があります。
  2. 遠いかけらの力ほど、よく効く。その力は、軸から2倍遠いところにかかります。力 × 距離なので、軸を回すトルクとしては、もう2倍かかります。

2 × 2 = 4。軸から2倍遠い質量は、4倍回しにくくします。

同じ金づちを、左は柄の端を持って振り、右は頭のすぐ下を持って振る。手首を中心に同じ角度だけ振ったとき、頭が通る道すじを青い矢印で示す。左の矢印のほうが長い
図 1-03同じ金づちでも、柄の端を持つと、重い頭が手から遠くなり、振りにくくなります。

この形は、材料力学の 断面二次モーメント の単元と同じです。断面二次モーメントは「帯の面積 × 中立軸からの距離²」を足したものでした。距離が2回かかった理由も、帯の力が距離に比例し、回す腕も距離に比例するからでした。

I=∑(帯の面積×距離2)J=∑(かけらの質量×距離2)\sI = \sum \bigl(\text{帯の面積} \times \text{距離}^2\bigr) \qquad \skrJ = \sum \bigl(\text{かけらの質量} \times \text{距離}^2\bigr)

足すものが、面積か、質量か。違うのはそこだけです。

半径を2倍にすると。同じ形のまま半径を2倍にすると、どのかけらも、軸から2倍遠くなります。質量が同じなら、J\skrJ は 22=42^2 = 4 倍です。

輪は円板の2倍回しにくい

まず、細い輪です。全部の質量が、軸から同じ距離 r\skmR にあります。足し算は、すぐに終わります。

J輪=m×r2=2×0.152=0.045 kg⋅m2\skrJ_{\text{輪}} = \skrm \times \skmR^2 = 2 \times 0.15^2 = 0.045\ \mathrm{kg\cdot m^2}

次に、円板です。円板には、外周の近くの質量も、軸のすぐそばの質量もあります。軸のそばの質量は、距離² が小さいので、ほとんど効きません。だから、円板は輪より回しやすいはずです。

どれだけ回しやすいかを、足し算で確かめます。円板を、同心の細い輪5本に切ります。

円板を、5本の細い輪に切って足すr内から(質量)質量の割合 × 距離²(距離は r を 1 とする)1本目4%0.00042本目12%0.01083本目20%0.054本目28%0.13725本目36%0.2916合計0.49(全部を外周に集めた細い輪なら 1)

細い輪の質量は、面積に比例します。外側の輪ほど、周が長いので、質量が多くなります。いちばん内側は全体の 4%、いちばん外側は 36% です。

それぞれの「質量の割合 × 距離²」を足すと、0.49 です。つまり、J\skrJ は mr2\skrm\skmR^2 の 0.49 倍です。

もっと細かく切ると、10本で 0.4975、100本で 0.499975 です。細かくするほど、ちょうど 1/2 に近づきます。

J円板=m r22=2×0.1522=0.0225 kg⋅m2\skrJ_{\text{円板}} = \dfrac{\skrm\,\skmR^2}{2} = \dfrac{2 \times 0.15^2}{2} = 0.0225\ \mathrm{kg\cdot m^2}

1/2 は、「質量は外ほど多い」と「距離² は内ほど小さい」の、釣り合いで決まる数です。円板は、全部の質量を、半径の 0.707 倍(150 mm なら 106 mm)の細い輪に集めたのと、同じ回しにくさになります(0.7072=0.50.707^2 = 0.5)。

輪は、円板の2倍回しにくい。質量も半径も同じなのに、質量を外周に集めただけで、2倍です。

穴のあいた輪(外側の半径 r\skmR、内側の半径 ri\skmRi)では、次の式になります。ri=0\skmRi = 0 で円板、ri=r\skmRi = \skmR で細い輪の式に戻ります。

J=m (r2+ri2)2\skrJ = \dfrac{\skrm\,(\skmR^2 + \skmRi^2)}{2}

材料力学の 丸軸のねじり の単元の、極断面二次モーメント πd4/32\pi d^4/32 にも、同じ 1/2 が入っています。半径 rr で書き直すと πr2×r2/2\pi r^2 \times r^2/2、つまり「面積 × 半径² の半分」です。円の上で距離² を足すと、いつも 1/2 が出てきます。

公式を、3つのかたまりに分けて読む

J=m⏟どれだけの質量か×r2⏟どれだけ遠いか×12⏟形で決まる数\skrJ = \underbrace{\skrm}_{\text{どれだけの質量か}} \times \underbrace{\skmR^2}_{\text{どれだけ遠いか}} \times \underbrace{\dfrac{1}{2}}_{\text{形で決まる数}}
  1. 質量 m\skrm 質量が2倍なら、J\skrJ も2倍です。
  2. 距離の2乗 r2\skmR^2 半径が2倍なら、4倍です。いちばん効くかたまりです。
  3. 形で決まる数 質量が軸からどう散らばっているかで決まります。細い輪は 1、円板は 1/2。軸のそばに質量が多いほど、小さくなります。

どの数字がいちばん効く?

円板(2 kg・半径 150 mm)を、トルク 0.45 N·m で回し始めるとします。それぞれの数字を1割(10%)だけ増やしたときの変化です。

増やすもの 回しにくさ J\skrJ 回る速さの増え方 α\skmAlpha 1回転にかかる時間
半径 r\skmR を10%大きく +21% −17% +10%
質量 m\skrm を10%大きく +10% −9% +5%
トルク T\skmT を10%大きく 変わらない +10% −5%

半径は、質量の約2倍効きます(21% と 10%)。1回転にかかる時間は、α\skmAlpha の平方根に反比例するので、変化が小さく出ます。

円板と輪に戻る

最初の問いに戻ります。どちらも 2 kg・半径 150 mm。トルクは 0.45 N·m です。

α円板=0.450.0225=20 rad/s2,α輪=0.450.045=10 rad/s2\skmAlpha_{\text{円板}} = \dfrac{0.45}{0.0225} = 20\ \mathrm{rad/s^2},\qquad \skmAlpha_{\text{輪}} = \dfrac{0.45}{0.045} = 10\ \mathrm{rad/s^2}

円板は、1秒後に角速度 20 rad/s、回転数にして 191 min⁻¹ になります。輪は、その半分の 95.5 min⁻¹ です。速く回り出すのは円板で、差は2倍です。

止まった状態から1回転するまでの時間は、円板が 0.793 秒、輪が 1.12 秒です。回しにくさが2倍でも、時間は2倍ではなく、約1.41倍(2\sqrt{2} 倍)です。回った角度は時間の2乗で増えるからです。

つまり、ものを作るときは

すばやく回し始めたい物、すばやく止めたい物は、外側を軽くします。ロボットの腕なら、重いモータを、なるべく根元(回る軸の近く)に置くと、腕が回しやすくなります。自転車の車輪は、外周(リムとタイヤ)が軽いほど、こぎ出しが軽くなります。

反対に、回り続けてほしい物は、外側を重くします。外周に厚い縁を付けた、はずみ車です。くわしくは はずみ車(回転のエネルギー) の単元で見ます。

左:外周が細く軽い自転車の車輪。右:外周に厚い鉄の縁がある、はずみ車。どちらも手で軸の先をつまんでいる
図 1-05左は外周を軽く、右は外周を重くしています。

動かしてみよう

円板を、一定のトルクで止まった状態から回します。3回転したら、少し止めて、はじめから回し直します。下のグラフは、回った回数です。はじめはゆっくりで、だんだん速くなります。

内側の半径 ri\skmRi を大きくすると、同じ質量のまま、穴のあいた輪になります。外側の半径と同じにすると、細い輪です。はじめは 1/4 の速さで動かしています。円板の破線と、グラフの薄い線は、比べる相手(残した図、なければ初期値)です。線がどれだけ寝るかを見てください。盤の下の「×」の数は、回しにくさ J\skrJ が初期値の何倍かです。「いまの図を残して比べる」を押すと、比べる相手が、そのときの形に替わります。

シミュレータ数字を変えると、動きと答えが、その場で変わります

試してみよう0 / 3

  1. 内側の半径 ri を 150 mm にして、円板を、同じ 2 kg の細い輪に変える(まだ)
  2. 円板のまま(ri = 0)、外側の半径 r を2倍の 300 mm にする(まだ)
  3. 円板のまま、質量 m を2倍の 4 kg にして、1番の細い輪と比べる(まだ)
kg
mm
mm
N·m
Tr形円板回った0.00 回転時間t = 0.00 s止まった状態から回す
t = 0.00 s
012340123時間 t [s]回った回数 [回転]
慣性モーメントは、初期値の ×1

いまの式(数字を入れた形)

J=m (r2+ri2)2\htmlClass{q-material}{J} = \dfrac{\htmlClass{q-material}{m}\,(\htmlClass{q-geometry}{r}^2 + \htmlClass{q-geometry}{r_i}^2)}{2}=2×(0.152+02)2= \dfrac{2 \times (0.15^2 + 0^2)}{2}=0.0225 kg⋅m2= 0.0225\ \mathrm{kg\cdot m^2}
慣性モーメント
J=0.0225 kg⋅m2\htmlClass{q-material}{J} = 0.0225\ \mathrm{kg\cdot m^2}
角加速度(1秒ごとに増える角速度)
α=20 rad/s2\htmlClass{q-flow}{\alpha} = 20\ \mathrm{rad/s^2}
止まった状態から1回転するまでの時間
t1=0.793 s\htmlClass{q-flow}{t_1} = 0.793\ \mathrm{s}
途中の計算(導出)を見る
  1. 慣性モーメント(円板。内側の半径 0)

    J=m (r2+ri2)2=2×(0.152+02)2=0.0225 kg⋅m2\htmlClass{q-material}{J} = \dfrac{\htmlClass{q-material}{m}\,(\htmlClass{q-geometry}{r}^2 + \htmlClass{q-geometry}{r_i}^2)}{2} = \dfrac{2 \times (0.15^2 + 0^2)}{2} = 0.0225\ \mathrm{kg\cdot m^2}
  2. 角加速度(1秒ごとに、回る速さがどれだけ増えるか)

    α=TJ=0.450.0225=20 rad/s2\htmlClass{q-flow}{\alpha} = \dfrac{\htmlClass{q-moment}{T}}{\htmlClass{q-material}{J}} = \dfrac{0.45}{0.0225} = 20\ \mathrm{rad/s^2}
  3. 止まった状態から1回転(2π rad)するまでの時間

    t1=2×2πα=4π20=0.793 s\htmlClass{q-flow}{t_1} = \sqrt{\dfrac{2 \times 2\pi}{\htmlClass{q-flow}{\alpha}}} = \sqrt{\dfrac{4\pi}{20}} = 0.793\ \mathrm{s}

よくある勘違い

「同じ質量なら、回しにくさも同じ」

まっすぐ押すときの動かしにくさは、質量だけで決まります。形も、質量の置き場所も関係ありません。

回すときは違います。質量がどこにあるかで、回しにくさが変わります。同じ 2 kg でも、輪は円板の2倍。同じ円板でも、半径を2倍に広げて薄くすれば4倍です。

同じ棒に同じ2つのおもりを付けたものを、真上から見た図。左はおもりを軸の近くに、右は棒の両端に付けている。棒は中央の軸のまわりに回る。左の青い円弧の矢印は太く長く、右は細く短い
図 1-04同じおもりでも、軸から遠くに付けると、回しにくくなります。

「J は、ねじりの単元の J と同じもの」

記号は同じ JJ ですが、別の量です。

名前 足すもの 単位 何に効くか
慣性モーメント J\skrJ(この単元) 質量 × 距離² kg·m² 回し始め・止まりにくさ
極断面二次モーメント JJ(軸のねじり) 面積 × 距離² mm⁴ 軸のねじれにくさ
断面二次モーメント I\sI(はりの曲げ) 面積 × 距離² mm⁴ はりの曲がりにくさ

どれも「距離² を足す」ので、名前に「モーメント」が付いています。足すものが質量なら、回しにくさ。面積なら、断面の形の硬さです。

「重い物ほど回しにくい。だから月の上なら回しやすい」

回しにくさを決めるのは、重さ(力 mg\skrm\skrG)ではなく、質量 m\skrm です。月の上でも、円板の質量は変わりません。だから、軸受の摩擦を考えなければ、月の上でも、同じトルクで、同じように回り出します。

この公式が使える条件

  • 回る物は変形しない(剛体)。厚さはどこも同じ
  • 軸は、円板・輪の中心を通り、面に垂直
  • 軸受の摩擦や空気の抵抗は考えない
  • 輪のスポークや軸の質量は考えない
式の導き方(くわしく知りたい人へ)

T=J α\skmT = \skrJ\,\skmAlpha の出どころ:軸から距離 rr にある質量 Δm\Delta m のかけらは、角加速度 α\skmAlpha で回ると、円の向きに r αr\,\skmAlpha の加速度で速くなります。そのために要る力は、F=maF = ma から Δm r α\Delta m \, r\,\skmAlpha です。この力が軸を回す効き目は、力 × 距離で Δm r2 α\Delta m\, r^2\,\skmAlpha。全部のかけらで足すと、

T=∑Δm r2 α=(∑Δm r2)α=J α\skmT = \sum \Delta m\, r^2\, \skmAlpha = \Bigl(\sum \Delta m\, r^2\Bigr)\skmAlpha = \skrJ\,\skmAlpha

円板の 1/2:半径 rr から r+drr + dr の細い輪の面積は 2πr dr2\pi r\,dr です。円板全体の面積 πr2\pi \skmR^2 に対する割合をかけると、質量は dm=m⋅2r dr/r2dm = \skrm \cdot 2r\,dr/\skmR^2。これに r2r^2 をかけて足します。

J=∫0rr2⋅2m rr2 dr=2mr2⋅r44=m r22\skrJ = \int_0^{\skmR} r^2 \cdot \dfrac{2\skrm\,r}{\skmR^2}\,dr = \dfrac{2\skrm}{\skmR^2} \cdot \dfrac{\skmR^4}{4} = \dfrac{\skrm\,\skmR^2}{2}

r3r^3 を積分して出る 1/4 に、面積から来る 2 をかけて、1/2 です。本文の5本の足し算は、1/2−1/(4n2)1/2 - 1/(4n^2)(nn は本数)になり、nn を増やすと 1/2 に近づきます。

穴のあいた輪:積分の下の端を ri\skmRi にし、質量の割合の分母を r2−ri2\skmR^2 - \skmRi^2 にします。

J=2mr2−ri2⋅r4−ri44=m (r2+ri2)2\skrJ = \dfrac{2\skrm}{\skmR^2 - \skmRi^2} \cdot \dfrac{\skmR^4 - \skmRi^4}{4} = \dfrac{\skrm\,(\skmR^2 + \skmRi^2)}{2}

1回転の時間:角加速度が一定なら、角速度は ω=α t\skrOmega = \skmAlpha\,t、回った角度は θ=α t2/2\theta = \skmAlpha\,t^2/2 です(まっすぐ進むときの x=at2/2x = at^2/2 と同じ形)。θ=2π\theta = 2\pi と置くと、t1=4π/α\skmTone = \sqrt{4\pi/\skmAlpha}。

例題

例題1 鋼の円板を回す

直径 200 mm・厚さ 10 mm の鋼の円板が、中心の軸のまわりに回ります。鋼の密度は 7,850 kg/m³ とします。

(1) 円板の質量は何 kg ですか。(2) 慣性モーメントはいくらですか。(3) 止まった状態から 0.2 N·m のトルクで回すと、角加速度はいくらですか。軸受の摩擦は考えません。

ヒント 1 / 2

質量は「密度 × 体積」。体積は、円の面積 πr2\pi r^2 × 厚さです。半径は 0.1 m、厚さは 0.01 m です。

ヒント 2 / 2

円板の慣性モーメントは J=mr2/2J = mr^2/2、角加速度は α=T/J\alpha = T/J です。

答えと解き方を見る
(1) m=2.47 kg(1)\ \skrm = 2.47\ \mathrm{kg}
(2) J=0.0123 kg⋅m2(2)\ \skrJ = 0.0123\ \mathrm{kg\cdot m^2}
(3) α=16.2 rad/s2(3)\ \skmAlpha = 16.2\ \mathrm{rad/s^2}
  1. 慣性モーメント(円板。内側の半径 0)

    J=m (r2+ri2)2=2.466×(0.12+02)2=0.01233 kg⋅m2\htmlClass{q-material}{J} = \dfrac{\htmlClass{q-material}{m}\,(\htmlClass{q-geometry}{r}^2 + \htmlClass{q-geometry}{r_i}^2)}{2} = \dfrac{2.466 \times (0.1^2 + 0^2)}{2} = 0.01233\ \mathrm{kg\cdot m^2}
  2. 角加速度(1秒ごとに、回る速さがどれだけ増えるか)

    α=TJ=0.20.01233=16.22 rad/s2\htmlClass{q-flow}{\alpha} = \dfrac{\htmlClass{q-moment}{T}}{\htmlClass{q-material}{J}} = \dfrac{0.2}{0.01233} = 16.22\ \mathrm{rad/s^2}

質量は 7,850 × π × 0.1² × 0.01 で約 2.47 kg です。

1秒ごとに、角速度が約 16 rad/s ずつ増えていきます。

例題2 厚みのある輪と円板

同じ 3 kg の鋼で、2つの回る部品を作ります。1つは外側の半径 250 mm の円板、もう1つは外側の半径 250 mm・内側の半径 230 mm の輪です(輪は細いスポークで軸につなぎ、スポークの質量は考えません)。

輪の慣性モーメントは、円板の何倍ですか。

ヒント 1 / 2

穴のある輪は J=m(r2+ri2)/2J = m(r^2 + r_i^2)/2、円板は ri=0r_i = 0 と置いた J=mr2/2J = mr^2/2 です。

ヒント 2 / 2

質量は同じなので、比は (0.252+0.232)÷0.252(0.25^2 + 0.23^2) \div 0.25^2 で求まります。

答えと解き方を見る
J輪J円板=0.17310.09375=1.85\dfrac{\skrJ_{\text{輪}}}{\skrJ_{\text{円板}}} = \dfrac{0.1731}{0.09375} = 1.85
  1. 慣性モーメント(輪。内側に穴)

    J=m (r2+ri2)2=3×(0.252+0.232)2=0.1731 kg⋅m2\htmlClass{q-material}{J} = \dfrac{\htmlClass{q-material}{m}\,(\htmlClass{q-geometry}{r}^2 + \htmlClass{q-geometry}{r_i}^2)}{2} = \dfrac{3 \times (0.25^2 + 0.23^2)}{2} = 0.1731\ \mathrm{kg\cdot m^2}
  2. 慣性モーメント(円板。内側の半径 0)

    J=m (r2+ri2)2=3×(0.252+02)2=0.09375 kg⋅m2\htmlClass{q-material}{J} = \dfrac{\htmlClass{q-material}{m}\,(\htmlClass{q-geometry}{r}^2 + \htmlClass{q-geometry}{r_i}^2)}{2} = \dfrac{3 \times (0.25^2 + 0^2)}{2} = 0.09375\ \mathrm{kg\cdot m^2}

細い輪なら、ちょうど2倍になります。厚みがあると、内側の部分が軸に近いぶん、2倍より少し小さくなります。

例題3 モータに必要なトルク

質量 2 kg・半径 150 mm の細い輪を、モータで止まった状態から回し、0.5 秒で回転数 300 min⁻¹ にしたいとします。

角加速度を一定とすると、モータは何 N·m のトルクを出せばよいですか。軸受の摩擦は考えません。

ヒント 1 / 2

回転数を角速度に直します。1回転は 2π2\pi rad、1分は 60 秒です。

ヒント 2 / 2

角速度は 300÷60×2π=31.4300 \div 60 \times 2\pi = 31.4 rad/s。これを 0.5 秒で割ると角加速度です。

答えと解き方を見る
T=J α=0.045×62.83=2.83 N⋅m\skmT = \skrJ\,\skmAlpha = 0.045 \times 62.83 = 2.83\ \mathrm{N\cdot m}
  1. 慣性モーメント(輪。内側に穴)

    J=m (r2+ri2)2=2×(0.152+0.152)2=0.045 kg⋅m2\htmlClass{q-material}{J} = \dfrac{\htmlClass{q-material}{m}\,(\htmlClass{q-geometry}{r}^2 + \htmlClass{q-geometry}{r_i}^2)}{2} = \dfrac{2 \times (0.15^2 + 0.15^2)}{2} = 0.045\ \mathrm{kg\cdot m^2}
  2. 角加速度(1秒ごとに、回る速さがどれだけ増えるか)

    α=TJ=2.8270.045=62.83 rad/s2\htmlClass{q-flow}{\alpha} = \dfrac{\htmlClass{q-moment}{T}}{\htmlClass{q-material}{J}} = \dfrac{2.827}{0.045} = 62.83\ \mathrm{rad/s^2}

角加速度は 31.4 ÷ 0.5 = 62.8 rad/s² です。トルクは、回しにくさ J × 角加速度です。

同じ 2 kg を円板にすれば、J は半分なので、トルクも半分の約 1.41 N·m で済みます。