Energía cinética asociada al movimiento de rotación

Sólido rígido que gira alrededor de un eje:

La velocidad de la masa infinitesimal $m_i$:

$v_i = r_i \, \omega$

Por tanto su energía cinética:

$E_{\smash[t]{\text{cin}},i} = \dfrac{1}{2} m_i v_i^2 = \dfrac{1}{2} m_i r_i^2 \omega^2$

Entonces, la energía cinética de la rotación del sólido:

$\begin{align} E_{\smash[t]{\text{cin}}} &= \sum_i \dfrac{1}{2} m_i r_i^2 \omega^2 = \dfrac{1}{2} \biggl( \underbrace{\sum_i m_i r_i^2}_{\displaystyle I} \biggr) \omega^2 = \\[1ex] &= \dfrac{1}{2} I \omega^2 \end{align}$

Se plantea un sólido plano, que gira sobre un eje fijo perpendicular, y al que se le aplica una fuerza externa $\vec{F}$ (que comparte plano):

Sólo realiza trabajo la componente tangencial de la fuerza, ya que la radial es perpendicular al desplazamiento. Para $ds$, desplazamiento infinitesimal, por tanto:

$dW = F_{\smash{\text{t}}} \, ds = F_{\smash{\text{t}}} \, r \, d\theta$

El momento de la fuerza, $\Gamma \mspace{1mu}$:

$\Gamma = F_{\smash{\text{t}}} \, r$

Siendo que $\vec{F}_{\smash{\text{r}}}$, la componente radial de la fuerza, no ejerce momento porque comparte dirección con el vector de posición, $\vec{r}$.

Entonces:

$dW = \Gamma \, d\theta$

Para un rotación desde $\theta_1 \!$ a $\theta_2$, el trabajo:

$\displaystyle W = \int_{\theta_1}^{\theta_2} \! \Gamma \, d\theta$

Como:

$\begin{align} \Gamma &= I \alpha = I \, \dfrac{d\omega}{dt} = I \, \dfrac{d\omega}{d\theta} \underbrace{\dfrac{d\theta}{dt}}_{\displaystyle \omega} = \\[1ex] &= I \omega \dfrac{d\omega}{d\theta} \end{align}$

Sustituyendo:

$\begin{align} W &= \int_{\theta_1}^{\theta_2} \! I \omega \dfrac{d\omega}{d\theta} \, d\theta = \int_{\omega_1}^{\omega_2} \! I \omega \, d\omega = \\[1ex] &= \left[ \dfrac{1}{2} I \omega^2 \right]_{\omega_1}^{\omega_2} = \dfrac{1}{2} I \omega_2^2 - \dfrac{1}{2} I \omega_1^2 = \\[1ex] &= \Delta E_{\smash[t]{\text{cin}}} \end{align}$