2.3 作用在平面上液体的作用力——学习材料

学习单元三作用平面液体的作用力
一、总压力的大小
在工程中,除了要知道静止流体的压强分布规律之外,还要确定流体作用在结构物表面上的总压力的大小和作用点,下面我们主要讨论静止液体对固体边壁的作用力的大小、方向及其求解方法。求解作用在平面上的液体总压力有两种方法,解析法和图解法。
由于静止液体中不存在切向应力,所以全部力都垂直于淹没物体的表面。
静止液体作用在平面上的总压力分为静止液体作用在斜面、水平面和垂直面上的总压力三种,斜面是最普通的一种情况,水平面和垂直面是斜面的特殊情况。下面介绍静止液体作用在斜面上的总压力问题。
    假设有一块任意形状的平面与水平成角放置在静止液体中,如上图所示,图中右下部分是在平面方向上的投影图。
假设h为倾斜平面上任一点到自由液面的深度,L为相应的在OL轴上的距离。在深度h内选取一微元面积dA,认为其上的压强是均匀分布的则作用在这微元面积上静止液体的总压力为   
    上式中没有考虑大气压强的作用,因为平面的四周都受有大气压强的作用,互相抵消,该式为仅由液体产生的总压力。
积分上式,即可得静止液体作用在整个淹没平面上的总压力为
为平面对ob轴的面积矩:Lc为形心点的L坐标。
整个平面上的静水总压力大小为 式中,hc 平面形心点上的埋深pc多源为平面形心点处动水压强。
上式说明,静止液体作用在任一淹没平面上的总压力等于液体的密度、重力加速度、平面面积和形心淹深的乘积。如果保持平面形心的淹深不变,改变平面的倾斜角度,则静止液体作用在该平面的总压力值不变,即静止液体作用于淹没平面上的总压力与平面的倾斜角度无关。作用在静止液体中任一淹没平面上液体的总压力也相当于以平面面积为底,平面形心淹深为高的柱体的液重。
下图中四个容器装有同一种液体,,液体对容器底部的作用力是相同的,而与容器的形状
无关,这一现象称为静水奇象。换句话说,液体作用在容器上的总压力不要和容器所盛液体的重量相混淆。
二、总压力的作用点
淹没在静止液体的平面上总压力的作用点,即总压力作用线与平面的交点,称为压力中心。由合力矩定理可知,总压力对Ob轴之矩等于各微元面积上的总压力对Ob轴之矩的代数和。
 
称为平面相对于ob轴的惯性矩。由惯性矩平移定理可得到
    故有
       
上式中表示受压面关于通过形心轴的惯性矩。上式表明LD > LC,静水总压力作用点在形心之下,但平面水平放置时,则两者重合。 控制了静水总压力作用点的深度位置。
同理可以确定作用点的水平位置坐标bD ,将静水压力对广西历任主席OL轴取矩,则
  :平面EFOb 轴及OL轴的惯性积代入上式,则
上式确定了静水总压力作用点的左右位置 若平面沿水深方向有一个对称轴,则 bD= 0
综上所述,作用在平面上液体的总压力的作用点的位置坐标为:
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常见截面的几何特征见下表所示:
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截面几何图形
面积A
型心yc
惯性距Icx
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
图解法求解作用在平面上液体的压力
采用图解法求作用在平面上的静水总压力比较简单,但只能用于求解一些比较简单的平面上的压力,主要用于矩形平面。
使用图解法求矩形平面所受水压力,须先绘出静水压强分布图,按照一定比例,用线段长度代表静水压强(以相对压强表示)的大小用箭头表示静水压强方向,并与作用面垂直计算压强分布图的面积,再乘以受压面宽度。
扈莹悦对于与大气连通的容器,液体的相对压强,故压强沿水深呈直线分布。只要把上、下两点的压强用线段绘出,中间以直线相连,就得到相对压强分布图。如下图示。
如下图所示的矩形平板静水压力图解法:
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    设底边平等于液面的矩形平面AB,与水平面夹角为,平面宽度为b,上下底边的淹没深度为h1h2。根据压强分布规律,其压强分布图为梯形,总压力的大小等于压强分布图的面积S 乘以受压面的宽度b,即:
                P = bS
    总压力的作用线通过压强分布图的形心,作用线与受压面的交点就是总压力的作用点。

本文发布于:2024-09-21 01:30:25,感谢您对本站的认可!

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