図のように回転軸を
軸にとり,
軸と直交する
平面をとる.円柱の密度を
とすると
である.この円柱を
軸方向に微小厚み
でスライスし,この厚み
の円板部分をさらに
軸方向に幅
で分割する.断面積
の微小角柱の長さは
であるので,この部分の質量を
とおくと,
となる.
軸の先から円柱を見た図
軸の先から円柱を見た図から分かるように,この微小角柱の回転軸までの距離(回転半径)は
であるので,微小角柱の回転軸周りの慣性モーメント
は,
と表せる.したがって,求める慣性モーメント
は,
となる.ここで,
より,次式を得る.
次に,
とおくような置換積分を考えると,
についての積分範囲は
となり,形式的に
と書けるので
↓ ここで,ウォリスの公式を利用
を得る.したがって,
が求まる.
★ 極座標を用いて計算
円柱を
軸方向に微小厚み
でスライスしたときの円板について,極座標を用いて,微小部分に分割すると,その微小体積は
となるので,この部分の微小質量は
である.この微小部分の回転軸までの距離(回転半径)は
となるので,微小部分の,回転軸周りの慣性モーメント
は
と表せる.したがって,求める慣性モーメント
は,
となる.
★ 平行軸の定理を用いて計算
図に示すように,中心が原点となるように
平面に置かれた厚さ
の一様な円板の,
軸のまわりの慣性モーメント
は,
である.原点
から
軸方向に
だけ移動した厚さ
の円板の慣性モーメント
は,平行軸の定理により,
であるので,求める慣性モーメント
は,
となる.