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流体力学第2章静力学讲解
由图可看出 根据力矩平衡:当闸门刚刚转动时,力P、T对铰链A的力矩代数和应为零,即 故 2.5 静止流体对平面壁的作用力 2.6 静止流体对曲面壁的作用力 2.6.1 总压力的大小、方向、作用点 设有二向曲面壁左边承受水压,如图2.23(a)所示。现确定此曲面壁上的ABCD部分所承受的总压力。 此曲面在xoz平面上的投影如图2.23(b)所示。在此面上取微元面积dA,其形心在水面以下的深度为h,则此微元面积上所承受的压力为 dP=γh dA 图2.23 二向曲面壁上的总压力 2.6.1 总压力的大小、方向、作用点 此压力垂直于微元面积dA,并指向右下方,与水平面成α角。可将其分解为水平分力和垂直分力 (2.22) 由图2.23(c)可知,dAcosα为dA在垂直面yoz面上的投影面积dAx;dAsinα为dA在水平面xoy面上的投影面积dAz 。因此上式可改写为 (2.23) 将上式沿曲面ABCD相应的投影面积积分,可得此曲面所受液体的总压力P为 (2.24) 式中∫AxhdAx为曲面ABCD的垂直投影面积Ax(即面积1234)绕y轴的静力矩,可表示为 h0为投影面积Ax的形心在水面下的深度。所以,总压力P的水平分力为 (2.25) 2.6.1 总压力的大小、方向、作用点 式(2.24)中Ax为曲面ABCD在水平面上的投影面积,则∫AxhdAx为曲面ABCD以上的液体体积,即体积ABCD5678,称为实压力体或正压力体,可用V表示。故总压力P的垂直分力为 Pz=γV (2.26) 若二向曲面壁的左边为大气,右边承受水压,则总压力的方向将是由右下方指向左上方,其垂直分力Pz的大小仍可用上式计算,但方向却为由下垂直向上。此压力体V不为液体所充满,称为虚压力体或负压力体。 由式(2.25)及(2.26)两式可看出:曲面ABCD所承受的垂直压力Pz恰为体积ABCD5678内的液体重量,其作用点为压力体ABCD5678的重心。 2.6.1 总压力的大小、方向、作用点 曲面ABCD所承受的水平压力Px为该曲面的垂直投影面积Ax上所承受的压力,其作用点为这个投影面积Ax的压力中心 液体作用在曲面上的总压力为 (2.27) 总压力的倾斜角为 (2.28) 总压力P作用点的确定:作出Px及Pz的作用线,得交点,过此交点,按倾斜角α作总压力P的作用线,与曲面壁相交的点,即为总压力P的作用点。 2.6.1 总压力的大小、方向、作用点 2.6.2 浮 力 根据以上二向曲面的静水总压力的计算原理及公式,可方便得出浸没于液体中任意形状的物体所受到的总压力。 设有有一球形物体浸没于液体中,如图2.24所示,该物体在液面以下的某一深度维持平衡。若物体的重力为G,其铅直投影面上的力P=Px1-Px2=0 ,压力体由上半曲面形成的压力的方向向下的压力体和下半曲面形成的压力的方向向上的压力体叠加而成,图中的重叠的阴影 图2.24 潜体 线表示互相抵消,于是垂直方向的力为 Pz=γV=液体的重量×物体的体积 方向向上,该力又称为浮力。也就是说,物体在液体中所受的浮力的大小等于它所排开同体积的水所受的重力,这就是阿基米德定律。 浮力的大小与物体所受的重力之比有下列三种情况: (1)G>Pz称为沉体。物体下沉,如石块在水中下沉和沉箱充水下沉; (2) G=Pz称为潜体。物体可在任何深度维持平衡,如潜水艇; (3) G<Pz称为浮体。物体部分露出水面,如船舶、浮标、航标等。 2.6.2 浮 力 [例题2.9] 图2.25所示扇形旋转闸门,中心角α=45o,宽度B=1m(垂直于图面),可以绕铰链C旋转,用以蓄(泄)水。已知水深H=3m,确定水作用于此闸门上的总压力P的大小和方向。 [解] 由图可知 由式(2.25)得水平方向的分力为 图2.25 扇形旋转闸门 2.6 静止流体对曲面壁的作用力 由式(2.26)得垂直方向的分力为 故总压力 P对水平方向的倾斜角为 2.6 静止流体对曲面壁的作用力 绝对压强恒为正或零,而相对压强可正可负或零。如果某点的压强小于大气压强时,说明该点有真空存在,该点压强小于大气压强的数值称为真空度pv。 绝对压强、计示压强、真空度的关系如图2.7所示。 当ppa时, p=pa + p′ (绝对压强p =大气压强pa +相对压强p′ ), p′ = p- pa ; 当p pa时, p=pa - pv , pv=pa - p 。 2.3.3 绝对压强、相对压强、真空度 图2.7 [解] N-N为等压面,由式(2.14)
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