7.4. Вычисление давления

Для вычисления силы давления жидкости используют закон Паскаля, согласно которому3 давление жидкости на площадку равно площади S ,умноженной на глубину её погружения h ,на плотность и на ускорение силы тяжести т.е.

7.4.1. (о давлении жидкости на погруженную в нее вертикальную стенку).

В жидкость, удельный вес которой равен f, погружена верти­кальная стенка. Определить численное значение (модуль) силы гидростатического давления жидкости на эту стенку.

Решение. Из гидростатики известно, что давление жидкости на погруженную в нее горизонтальную пластинку численно равно весу столба жидкости, опирающегося на эту пластинку, т. е. произведению площади этой пла­стинки на ее расстояние от сво­бодной поверхности жидкости и на удельный вес жидкости.

Если площадь пластинки S, ее расстояние от свободной поверхности жидкости h, а удельный вес жидкости γ, то модуль силы давления

P = Shγ. (11,7)

Но эта формула верна только для пластинки, занимающей в жидкости горизонтальное положение. Если же пластинка, погруженная в жидкость, занимает не горизонтальное положение, а, например, вертикальное, то ее различные точки находятся на различной глубине, а поэтому о расстоянии всей пластинки от свободной поверхности жидкости не имеет смысла говорить, и формула (11,7) для вычисления модуля силы давления на эту пластинку непригодна.

Отнесем пластинку ABCD к прямоугольной системе координат (см. чертеж), причем ось Оу расположим на поверхности жидкости. Абсциссы точек А и В соответственно равны а и b, а линия CD определяется уравнением y=f(x), где f(x) — непрерывная функция на отрезке [а, b]

Разделим отрезок [а, b] на n произвольных частей и построим прямоугольники, как показано на чертеже. Площадь пластинки EFKH примем приближенно равной площади прямоугольника EFGH, т. е. произведению f(x_i)∆x_i. Чтобы вычислить приближенно величину давления на этот прямоугольник, повернем его вокруг стороны EH так, чтобы он принял горизонтальное поло­жение. Теперь уже к этой площадке применима формула (11,7), и приближенно величина давления жидкости на прямоугольник EFGH будет равна

(f(x_i) ∆x_i) x_iγ

Эта величина тем меньше будет отличаться от истинной величины давления на пластинку EFKH, чем на большее число n разделен отрезок [а, b].

Поступая так же со всеми прямоугольниками, мы найдем, что приближенно модуль силы давления определяется интегральной суммой

(постоянная величина γ входит в каждое слагаемое, а потому вынесена за знак суммы). При составлении интегральной суммы мы точку на каждом частичном отрезке взяли в его левом конце. Как известно, на предел интегральной суммы это не повлияет.

За точное значение модуля силы давления примем предел, к ко­торому стремится эта сумма, когда наибольший из отрезков ∆x_i стремится к нулю, а число n этих отрезков неограниченно увели­чивается

Так как ∆x_i →0, то каждое произведение x_i f(x_i) ∆x_i — вели­чина бесконечно малая, и здесь опять-таки мы имеем дело с опре­делением предела суммы неограниченно возрастающего количества бесконечно малых величин.

Можем записать, что модуль силы давления жидкости на вертикально погруженную в нее стенку равен

(11.8)

7.4.2. Определить силу давления воды на вертикальную стену, имеющую форму полукруга радиуса диаметр которого находится на поверхности воды

Решение.

Полукруг разделим на элементарные полоски прямыми, параллельными поверхности воды. Заштрихованную полоску примем за прямоугольник.

Тогда

Поэтому

7.4.3. Найти давление воды на поверхность шара диаметром 4м, если его центр находится на глубине 3м от поверхности воды.

Решение. Проведём через центр шара вертикальную плоскость и выберем на ней прямоугольную систему координат

Рассечем шар на глубине h горизонтальной плоскостью. При изменении h на dh площадь ,где -дифференциал дуги окружности. Давление

Выразив dp через одну переменную х и интегрируя в пределах оси х=-2 до х=2,найдём давление воды на всю поверхность шара.

Из уравнения окружности

найдём

и затем

Следовательно

7.4.4. Прямоугольная пластинка со сторонами а дм и h дм вертикально погружена в жидкость удельного веса γ. Сторона дли­ной а дм лежит на поверхности жидкости. Определить численное значение силы давления, испытываемого каждой стороной пластинки.

Решение. Применим формулу (11,8). В ней нижний предел интегрирования нужно взять равным нулю, верхний равен h, f (х)=а, а потому модуль силы давления

(давление получилось в килограммах, так как стороны прямо­угольника выражены в дециметрах).

При решении задачи значительно большую пользу принесло бы повторение рассуждений, проведенных в предыдущей задаче, чем использование готовой формулы (11,8).

7.4.5.Плотина имеет форму половины эллипса, малая ось которого 2b лежит на поверхности жидкости. Большая ось эллипса — 2а. Вычислить численное значение давления воды на плотину.

Указание. Если расположить оси, как это сделано на чертежe то эллипс определится уравнением

Вырежем полоску на глубине х шири­ною ∆x. Площадь этой полоски равна 2y∆x. Величину у определить из уравнения эллипса. Принять удельный вес воды γ=1.

Численное значение давления равно

Можно было сразу воспользоваться готовой формулой (11,8), в которой взять

Ответ. Если полуоси эллипса выражены в дециметрах, то численно давление получится в килограммах

Если заменить эллипс половиной круга (а =b) то

7.4.6. Найти численное значение давления воды (γ= 1) на треуголь­ные щиты, показанные на чертеже.

Указание. а) Уравнение АВ

б) уравнение ОС: .

Ответ, а) ; б) ;

7.4.7. Поперечное сечение стенки резервуара, наполненного водой, представляет дугу АВ круга радиуса а дм, центр О которого лежит на поверхности воды, а центральный угол АОВ равен α. Определить давление воды на эту дугу (см. чертеж).

Указание. 1. Дугу АВ разделить на n частей.

2. Учесть, что давление направлено по перпендикуляру к поверхности и численно равно произведению длины элемента ∆s на его глубину DC и на удельный вес γ жидкости.

3. Длина дуги окружности равна произведению ее радиуса на число радианов, содержащихся в центральном угле, опирающемся на эту дугу, т. е.

∆s=a∆φ

DC=asinφ; γ=1, а потому на элемент ∆s дуги АВ численное значение силы давления ∆p приближенно равно

∆p=(a sinφ)a∆φ= a²sinφ∆φ.

2. Найти проекции ∆X u ∆Y силы ∆р на оси Ох и Оу:

∆X=( a²sinφ∆φ)cos(90-φ)= a²sin²φ∆φ;

∆Y= a²sinφ cosφ∆φ.

Ответ: