Při otáčení tělesa kolem nehybné osy působí na jednotlivé body tělesa setrvačné síly, směřující od osy otáčení. Jedná se o odstředivou sílu způsobenou nerovnoměrným rozložením hmotnosti vzhledem k ose rotace, a deviační moment snažící se vychýlit osu rotace tak, aby hmotnost byla rozložena rovnoměrně i podél osy rotace. Tyto síly, vyrovnávané reakcemi v ložiscích os, mohou nabývat značných hodnot. Ložiska jsou proto jedny z nejnamáhanějších strojních součástí. Proto se otáčivé části strojů, kola motorových vozidel apod. vyvažují tak, aby osa otáčení procházela těžištěm. Také vhodnou volbou osy otáčení lze jejich namáhání zmenšit.
Prochází–li rotační osa těžištěm, vymizí odstředivé síly působící tlakem na ložiska. Pro vymizení deviačního momentu je nutné, aby rotační osa měla směr jednoho ze tří hlavních momentů setrvačnosti tělesa. (Je–li těleso homogenní, obvykle stačí, je–li rotační osa zároveň osou symetrie tělesa.)
Prochází–li osa otáčení těžištěm tělesa a zároveň má směr některého z hlavních momentů setrvačnosti tělesa, otáčí se kolem ní těleso bez toho, aby na ložiska působilo nějakými dodatečnými silami (kromě tíhové síly). Těleso trvale rotuje kolem této osy, dokonce i když k ní není upevněno. (Např. atletický disk se při letu otáčí kolem své osy.) Takovou osu nazýváme volná osa tělesa.
Každé tuhé těleso má alespoň tři volné osy. Volné osy tělesa se protínají v těžišti a jsou navzájem kolmé. Např. kvádr má tři volné osy, homogenní koule má každou osu procházející těžištěm volnou, homogenní válec či obruč má jednu volnou osu jako rotační osu a další libovolnou osu jdoucí těžištěm a kolmou k rotační ose.
Tři volné osy kvádru.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Magda Králová. Under Creative Commons.
Pro těleso, otáčející se kolem volné osy, platí zákon setrvačnosti. Nepůsobí–li na těleso vnější síly, zachovává se úhlová rychlost a také směr osy otáčení vzhledem k inerciální vztažné soustavě.
Otáčení tělesa je nejstabilnější kolem osy vzhledem k níž má těleso největší moment setrvačnosti.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Magda Králová. Under Creative Commons.
Otáčení tělesa je stabilní kolem volných os s největším a nejmenším momentem setrvačnosti, nejstabilnější pak kolem osy, vzhledem ke které má těleso největší moment setrvačnosti. Poznatky o volných osách se využívají při konstrukci rotujících součástí strojů a zařízení – rotory, setrvačníky.
