第二章流體靜力學(xué)

1、第二章第二章 流體靜力學(xué)流體靜力學(xué) 第一節(jié)第一節(jié) 流體靜壓強(qiáng)及其特性流體靜壓強(qiáng)及其特性 第七節(jié)第七節(jié) 流體平衡微分方程式流體平衡微分方程式 第二節(jié)第二節(jié) 流體靜壓強(qiáng)的分布規(guī)律流體靜壓強(qiáng)的分布規(guī)律第三節(jié)第三節(jié) 壓強(qiáng)的計(jì)算基準(zhǔn)和度量單位壓強(qiáng)的計(jì)算基準(zhǔn)和度量單位第四節(jié)第四節(jié) 液柱測(cè)壓計(jì)液柱測(cè)壓計(jì)第五節(jié)第五節(jié) 靜止流體作用在平面上的總壓力靜止流體作用在平面上的總壓力第六節(jié)第六節(jié) 靜止流體作用在曲面上的總壓力靜止流體作用在曲面上的總壓力第一節(jié)第一節(jié) 流體靜壓強(qiáng)及其特性流體靜壓強(qiáng)及其特性一、流體靜壓強(qiáng)的定一、流體靜壓強(qiáng)的定義義APP A 點(diǎn)點(diǎn) 上上 的的 流流 體體 靜靜 壓壓 強(qiáng)強(qiáng) P：APLimPaA

2、 一一.流體靜壓強(qiáng)的定義流體靜壓強(qiáng)的定義流體靜壓力與流體靜壓強(qiáng)的區(qū)別：流體靜壓力與流體靜壓強(qiáng)的區(qū)別：1、靜壓強(qiáng)的方向、靜壓強(qiáng)的方向 沿作用面的內(nèi)法線方向沿作用面的內(nèi)法線方向流體靜壓強(qiáng)的方向流體靜壓強(qiáng)的方向二、流體靜壓強(qiáng)的特性二、流體靜壓強(qiáng)的特性v假定圖中某點(diǎn)的靜壓強(qiáng)不是垂直于作用面，則靜壓強(qiáng)假定圖中某點(diǎn)的靜壓強(qiáng)不是垂直于作用面，則靜壓強(qiáng) p 必然必然可分解為兩個(gè)分量，可分解為兩個(gè)分量，個(gè)與作用面相切，為切向分量，也就個(gè)與作用面相切，為切向分量，也就是切應(yīng)力；另一個(gè)與作用面相垂直，為法向分量。從牛頓內(nèi)是切應(yīng)力；另一個(gè)與作用面相垂直，為法向分量。從牛頓內(nèi)摩擦定律中可以看出，靜止流體內(nèi)部是不會(huì)出現(xiàn)切

3、應(yīng)力的，摩擦定律中可以看出，靜止流體內(nèi)部是不會(huì)出現(xiàn)切應(yīng)力的，若若 ，則流體的平衡會(huì)遭到破壞。因而在靜止的流體，則流體的平衡會(huì)遭到破壞。因而在靜止的流體中切向分量是不存在的，即中切向分量是不存在的，即 。因此，流體靜壓強(qiáng)只。因此，流體靜壓強(qiáng)只可能垂直于作用面?？赡艽怪庇谧饔妹?。 v 又因?yàn)榱黧w處于靜止時(shí)不能承受拉應(yīng)力，拉應(yīng)力的存在也又因?yàn)榱黧w處于靜止時(shí)不能承受拉應(yīng)力，拉應(yīng)力的存在也會(huì)破壞流體的平衡，所以流體靜壓強(qiáng)的方向必然是沿著作用會(huì)破壞流體的平衡，所以流體靜壓強(qiáng)的方向必然是沿著作用面的內(nèi)法線方向。面的內(nèi)法線方向。0p0p由于流體內(nèi)部的表面力只存在著壓力，因由于流體內(nèi)部的表面力只存在著壓力，因此

4、流體靜力學(xué)的根本問(wèn)題是研究流體靜壓此流體靜力學(xué)的根本問(wèn)題是研究流體靜壓強(qiáng)的問(wèn)題。強(qiáng)的問(wèn)題。2、在靜止流體內(nèi)部，任一點(diǎn)的流體靜壓強(qiáng)的大小與作用面的方向、在靜止流體內(nèi)部，任一點(diǎn)的流體靜壓強(qiáng)的大小與作用面的方向無(wú)關(guān)，只與該點(diǎn)的位置有關(guān)。無(wú)關(guān)，只與該點(diǎn)的位置有關(guān)。流體微小四面體平衡流體微小四面體平衡 在靜止的或相對(duì)靜止的流體在靜止的或相對(duì)靜止的流體中，取出一個(gè)包括中，取出一個(gè)包括O點(diǎn)在內(nèi)點(diǎn)在內(nèi)的微小四面體的微小四面體OABC，如圖，如圖2-3所示，并將所示，并將O點(diǎn)設(shè)置為坐點(diǎn)設(shè)置為坐標(biāo)原點(diǎn)。取正交的三個(gè)邊長(zhǎng)標(biāo)原點(diǎn)。取正交的三個(gè)邊長(zhǎng)分別為分別為dx、dy、dz，它們分，它們分別與坐標(biāo)軸別與坐標(biāo)軸x、y、

5、z重合。重合。與坐標(biāo)面與坐標(biāo)面x、y、z及傾斜面及傾斜面ABC垂直的面上平均壓強(qiáng)分垂直的面上平均壓強(qiáng)分別為別為px、py、pz及及pn。作用在各面上的流體靜壓力等于各面的平均作用在各面上的流體靜壓力等于各面的平均靜壓強(qiáng)與該作用面面積的乘積，即靜壓強(qiáng)與該作用面面積的乘積，即1d d21d d21d d2xxyyzzonPpy zPpxzPpxyPpABCv作用在微小四面體上的質(zhì)量力在各軸向的分力等于單位質(zhì)量作用在微小四面體上的質(zhì)量力在各軸向的分力等于單位質(zhì)量力在各軸向的分力與流體質(zhì)量的乘積。流體的質(zhì)量等于流體力在各軸向的分力與流體質(zhì)量的乘積。流體的質(zhì)量等于流體密度與微小四面體體積的乘積。設(shè)單位質(zhì)

6、量力在密度與微小四面體體積的乘積。設(shè)單位質(zhì)量力在x、y、z軸軸的分力分別是，則質(zhì)量力在各軸向的分力為：的分力分別是，則質(zhì)量力在各軸向的分力為：1d dd61d dd61d dd6xyzFXxyzFYxyzFZxyzv微小四面體在上述表面力和質(zhì)量力的作用下處于平衡狀態(tài)，則外力的軸向平衡關(guān)系式為：cos0 1cos0 2cos0 3xnxynyznzPPn xFPPn yFPPn zF（ ）( ）（ ）微小四面體在上述表面力和質(zhì)量力的作用下處于平衡狀態(tài)，外微小四面體在上述表面力和質(zhì)量力的作用下處于平衡狀態(tài)，外力的軸向平衡關(guān)系式為：力的軸向平衡關(guān)系式為： ，即各向分力投影之和為零：，即各向分力投影之

7、和為零：cos0 1cos0 2cos0 3xnxynyznzPPn xFPPn yFPPn zF（ ）（ ）（ ）x方向受力分析方向受力分析:上式第（上式第（1）項(xiàng)展開(kāi)寫(xiě)成：）項(xiàng)展開(kāi)寫(xiě)成：當(dāng)四面體無(wú)限地趨于當(dāng)四面體無(wú)限地趨于O點(diǎn)時(shí)，則點(diǎn)時(shí)，則dx趨于趨于0，所以有：所以有：px=pn 。類(lèi)似地有：類(lèi)似地有：px=py=pz=pn11ddcosddd0 26xnxpyzpABCn xfxyz1cosdd2ABCn xyz1d0 3xnxppfx1. 靜止流體中不同點(diǎn)的壓強(qiáng)一般是不等的，一靜止流體中不同點(diǎn)的壓強(qiáng)一般是不等的，一 點(diǎn)的各向靜壓強(qiáng)大小相等。點(diǎn)的各向靜壓強(qiáng)大小相等。2.運(yùn)動(dòng)流體是理想流

8、體時(shí)，由于運(yùn)動(dòng)流體是理想流體時(shí)，由于=0，不會(huì)產(chǎn)，不會(huì)產(chǎn)生切應(yīng)力，所以理想流體動(dòng)壓強(qiáng)呈靜水壓強(qiáng)分生切應(yīng)力，所以理想流體動(dòng)壓強(qiáng)呈靜水壓強(qiáng)分布特性。布特性。第二節(jié)第二節(jié) 流體靜壓強(qiáng)的分布規(guī)律流體靜壓強(qiáng)的分布規(guī)律一、重力作用下流體靜壓強(qiáng)的基本方程一、重力作用下流體靜壓強(qiáng)的基本方程二、二、 分界面和自由面是水平面分界面和自由面是水平面三、氣體壓強(qiáng)計(jì)算三、氣體壓強(qiáng)計(jì)算四、等密面是水平面四、等密面是水平面一、重力作用下流體靜壓強(qiáng)的基本方程一、重力作用下流體靜壓強(qiáng)的基本方程 在靜止液體中，任意取出一傾斜放置的微小在靜止液體中，任意取出一傾斜放置的微小圓柱體，微小圓柱體長(zhǎng)為圓柱體，微小圓柱體長(zhǎng)為，端面積為，端

9、面積為dA，并垂直于柱軸線。并垂直于柱軸線。周?chē)囊后w對(duì)圓柱體有側(cè)面壓力及兩端面壓周?chē)囊后w對(duì)圓柱體有側(cè)面壓力及兩端面壓力。側(cè)面壓力與軸向正交，沿軸向沒(méi)有分力；力。側(cè)面壓力與軸向正交，沿軸向沒(méi)有分力；軸的兩端面的壓力為軸的兩端面的壓力為P1和和P2。 靜止液體受的質(zhì)量力只有重力，重力與軸線靜止液體受的質(zhì)量力只有重力，重力與軸線夾角為夾角為 ，可以分解為平行于軸向的，可以分解為平行于軸向的Gcos 和垂直于軸向的和垂直于軸向的Gsin 兩個(gè)分力。兩個(gè)分力。傾斜微小圓柱體軸向力的平衡，就是兩端壓力傾斜微小圓柱體軸向力的平衡，就是兩端壓力P1、P2及重力的軸向分力及重力的軸向分力Gcos 三個(gè)力作用

10、下三個(gè)力作用下的平衡。即的平衡。即微小圓柱體斷面積微小圓柱體斷面積dA極小，斷面上各點(diǎn)極小，斷面上各點(diǎn)壓強(qiáng)的變化可以忽略不計(jì)，可以認(rèn)為斷壓強(qiáng)的變化可以忽略不計(jì)，可以認(rèn)為斷面各點(diǎn)壓強(qiáng)相等面各點(diǎn)壓強(qiáng)相等,設(shè)圓柱上端面的壓強(qiáng)設(shè)圓柱上端面的壓強(qiáng)p1,下端面的壓強(qiáng)下端面的壓強(qiáng)p2，端面壓力為，端面壓力為P1 p1dA，P2 p2dA，重力，重力G=dA，代入上式，代入上式，得得:21cos0p dAp dAldA消去消去dA，并由于，并由于 Gcos =h，整理得壓強(qiáng)關(guān)系式：，整理得壓強(qiáng)關(guān)系式：2121 + pphphpph 或或傾斜微小圓柱體的端面是任意選取的。因此，可以得出普遍關(guān)系式：傾斜微小圓柱體

11、的端面是任意選取的。因此，可以得出普遍關(guān)系式：即靜止液體中任兩點(diǎn)的壓強(qiáng)差等于兩點(diǎn)間的深度差乘以容重。壓強(qiáng)隨即靜止液體中任兩點(diǎn)的壓強(qiáng)差等于兩點(diǎn)間的深度差乘以容重。壓強(qiáng)隨深度不斷增加，而深度增加的方向就是靜止液體的質(zhì)量力深度不斷增加，而深度增加的方向就是靜止液體的質(zhì)量力重力作重力作用的方向。所以，壓強(qiáng)增加的方向就是質(zhì)量力的作用方向。用的方向。所以，壓強(qiáng)增加的方向就是質(zhì)量力的作用方向。用壓強(qiáng)關(guān)系式求靜止液體內(nèi)某一點(diǎn)的壓強(qiáng)，設(shè)液用壓強(qiáng)關(guān)系式求靜止液體內(nèi)某一點(diǎn)的壓強(qiáng)，設(shè)液面壓強(qiáng)為面壓強(qiáng)為po，液體容重為，液體容重為，該點(diǎn)在液面下深度，該點(diǎn)在液面下深度為為h，則：，則：0+ pph流體靜力學(xué)基本方程式流體

12、靜力學(xué)基本方程式結(jié)論：結(jié)論： 1）僅在重力作用下，靜止流體中某一點(diǎn)的靜水壓強(qiáng)隨深）僅在重力作用下，靜止流體中某一點(diǎn)的靜水壓強(qiáng)隨深度按線性規(guī)律增加。度按線性規(guī)律增加。 2）僅在重力作用下，靜止流體中某一點(diǎn)的靜水壓強(qiáng)等于）僅在重力作用下，靜止流體中某一點(diǎn)的靜水壓強(qiáng)等于表面壓強(qiáng)加上流體的容重與該點(diǎn)淹沒(méi)深度的乘積。表面壓強(qiáng)加上流體的容重與該點(diǎn)淹沒(méi)深度的乘積。 3）自由表面下深度）自由表面下深度h相等的各點(diǎn)壓強(qiáng)均相等相等的各點(diǎn)壓強(qiáng)均相等只有重力只有重力作用下的同一連續(xù)連通的靜止流體的等壓面是水平面。作用下的同一連續(xù)連通的靜止流體的等壓面是水平面。設(shè)水箱水面的壓強(qiáng)為設(shè)水箱水面的壓強(qiáng)為po，水中，水中1、2

13、點(diǎn)到任選基準(zhǔn)面點(diǎn)到任選基準(zhǔn)面oo的高度為的高度為Zl及及Z2，壓強(qiáng)為壓強(qiáng)為p1及及p2，將式中的深度改為高，將式中的深度改為高度差后得：度差后得：液體靜力學(xué)基本方程式的另一種形式液體靜力學(xué)基本方程式的另一種形式這就是液體靜力學(xué)基本方程式的另一種形式，也是我們常用的這就是液體靜力學(xué)基本方程式的另一種形式，也是我們常用的水靜壓強(qiáng)分布規(guī)律的一種形式。水靜壓強(qiáng)分布規(guī)律的一種形式。CpZpZpZpZpZpZpZpZ00221100220011幾何意義：幾何意義：位置水頭位置水頭z ：任一點(diǎn)在基準(zhǔn)面任一點(diǎn)在基準(zhǔn)面0-0以上的位置高度，表示單位以上的位置高度，表示單位重量流體從某一基準(zhǔn)面算起所具有的位置勢(shì)能

14、，簡(jiǎn)稱(chēng)位能。重量流體從某一基準(zhǔn)面算起所具有的位置勢(shì)能，簡(jiǎn)稱(chēng)位能。 壓強(qiáng)水頭壓強(qiáng)水頭 ：表示單位重量流體從壓強(qiáng)為大氣壓算表示單位重量流體從壓強(qiáng)為大氣壓算起所具有的壓強(qiáng)勢(shì)能，簡(jiǎn)稱(chēng)壓能（壓強(qiáng)水頭），是該點(diǎn)在壓起所具有的壓強(qiáng)勢(shì)能，簡(jiǎn)稱(chēng)壓能（壓強(qiáng)水頭），是該點(diǎn)在壓強(qiáng)作用下沿測(cè)壓管所能上升的高度。強(qiáng)作用下沿測(cè)壓管所能上升的高度。p測(cè)壓管水頭（測(cè)壓管水頭（ ）：）：測(cè)壓管水頭，它測(cè)壓管水頭，它表示測(cè)壓管水面相對(duì)于基準(zhǔn)面的高度。表示測(cè)壓管水面相對(duì)于基準(zhǔn)面的高度。 Zp兩水頭相加等于常數(shù)，表示同一容器的靜止液兩水頭相加等于常數(shù)，表示同一容器的靜止液體中，所有各點(diǎn)的測(cè)壓管水頭均相等。因此，體中，所有各點(diǎn)的測(cè)壓管水

15、頭均相等。因此，在同一容器的靜止液體中，所有各點(diǎn)的測(cè)壓管在同一容器的靜止液體中，所有各點(diǎn)的測(cè)壓管水面必然在同一水平面上。水面必然在同一水平面上。能量意義：能量意義： 表示單位重量流體的壓力能，稱(chēng)為表示單位重量流體的壓力能，稱(chēng)為比壓力能比壓力能。因?yàn)閴阂驗(yàn)閴毫榱閜、體積為、體積為V的流體所做的膨脹功為的流體所做的膨脹功為pV，則單位重量物體，則單位重量物體所具有的壓力能為：所具有的壓力能為：pV/G=p/。比位能比位能z和比壓力能和比壓力能p/的單位都是的單位都是焦耳焦耳/牛頓牛頓。p 式中式中z表示單位重量流體相對(duì)于某一基準(zhǔn)面的位能，稱(chēng)表示單位重量流體相對(duì)于某一基準(zhǔn)面的位能，稱(chēng)為為比位能比

16、位能。從物理學(xué)得知，把質(zhì)量為從物理學(xué)得知，把質(zhì)量為m的物體從基準(zhǔn)面提的物體從基準(zhǔn)面提升一定高度升一定高度z后，該物體所具有的位能是后，該物體所具有的位能是mgz，則單位重量，則單位重量物體所具有的位能為：物體所具有的位能為：(mgz)/(mg)=z。 稱(chēng)為單位重量流體的稱(chēng)為單位重量流體的總勢(shì)能總勢(shì)能。 重力作用下靜止流體中各點(diǎn)的單位重量流體的總勢(shì)能是重力作用下靜止流體中各點(diǎn)的單位重量流體的總勢(shì)能是相等的。這就是相等的。這就是靜止流體中的能量守恒定律。靜止流體中的能量守恒定律。Zp二、分界面和自由面是水平面二、分界面和自由面是水平面 兩種容重不同萬(wàn)不混合的液體，在同一容器中處于靜止?fàn)顟B(tài)，兩種容重

17、不同萬(wàn)不混合的液體，在同一容器中處于靜止?fàn)顟B(tài)，兩種液體之間形成分界面。這種分界面既是水平面又是等壓兩種液體之間形成分界面。這種分界面既是水平面又是等壓面?，F(xiàn)在，我們從反面證明如下：面?，F(xiàn)在，我們從反面證明如下： 圖圖29盛有盛有2 1的兩種不同液體，設(shè)分界面不是水平面而是傾斜面，的兩種不同液體，設(shè)分界面不是水平面而是傾斜面，我們?cè)诜纸缑嫔先芜x我們?cè)诜纸缑嫔先芜x1、2兩點(diǎn)，其深度差為兩點(diǎn)，其深度差為，根據(jù)壓差關(guān)系式，從分界面上、下兩方分別求壓差為：根據(jù)壓差關(guān)系式，從分界面上、下兩方分別求壓差為： 由于液體容重不等于零，且由于液體容重不等于零，且2 1 。必然。必然是是0，即分界面是水平面，不可能

18、是，即分界面是水平面，不可能是傾斜面。將傾斜面。將0代人壓差關(guān)系式，得代人壓差關(guān)系式，得0。這就證明分界面是等壓面，所以，。這就證明分界面是等壓面，所以，分界面既是水平面又是等壓面。分界面既是水平面又是等壓面。 靜止的液體和氣體接觸的自由面，受到相靜止的液體和氣體接觸的自由面，受到相同的氣體壓強(qiáng)，所以，自由面是分界面的一種同的氣體壓強(qiáng)，所以，自由面是分界面的一種特殊形式。它既是等壓面，也是水平面。特殊形式。它既是等壓面，也是水平面。需要指出：上述規(guī)律是在同種液體處于靜需要指出：上述規(guī)律是在同種液體處于靜止、連續(xù)的條件下推導(dǎo)出來(lái)的。因此，液體靜止、連續(xù)的條件下推導(dǎo)出來(lái)的。因此，液體靜壓強(qiáng)分布規(guī)律

19、只適用于靜止、同種、連續(xù)液體。壓強(qiáng)分布規(guī)律只適用于靜止、同種、連續(xù)液體。靜力學(xué)基本方程的適用條件：靜力學(xué)基本方程的適用條件：三、氣體壓強(qiáng)計(jì)算三、氣體壓強(qiáng)計(jì)算以上規(guī)律，雖然是在液體的基礎(chǔ)上提出采納，但對(duì)以上規(guī)律，雖然是在液體的基礎(chǔ)上提出采納，但對(duì)不可壓縮氣體也仍然適用。不可壓縮氣體也仍然適用。由于氣體容重很小，在高差不大的情況下，氣柱產(chǎn)由于氣體容重很小，在高差不大的情況下，氣柱產(chǎn)生的壓強(qiáng)值很小，可以忽的壓強(qiáng)的影響，則流體靜生的壓強(qiáng)值很小，可以忽的壓強(qiáng)的影響，則流體靜力學(xué)基本方程式可以簡(jiǎn)化為：力學(xué)基本方程式可以簡(jiǎn)化為： 表示空間各點(diǎn)氣體壓強(qiáng)相等例如認(rèn)為液體容器，表示空間各點(diǎn)氣體壓強(qiáng)相等例如認(rèn)為液體

20、容器，測(cè)壓管、鍋爐等上部的氣體空間各點(diǎn)的壓強(qiáng)也是相測(cè)壓管、鍋爐等上部的氣體空間各點(diǎn)的壓強(qiáng)也是相等的。等的。0+ pph0pp四、等密面是水平面四、等密面是水平面在靜止非均質(zhì)流體中，取軸線水平的微小圓柱體如圖在靜止非均質(zhì)流體中，取軸線水平的微小圓柱體如圖212。作用在靜止流體上的質(zhì)量力只有重力，側(cè)面壓力垂直。作用在靜止流體上的質(zhì)量力只有重力，側(cè)面壓力垂直于軸線，所以這兩種力沿軸向均無(wú)分力。沿軸向外力的平于軸線，所以這兩種力沿軸向均無(wú)分力。沿軸向外力的平衡，表現(xiàn)為兩端面壓力相等。兩端面的面積相等，則壓強(qiáng)衡，表現(xiàn)為兩端面壓力相等。兩端面的面積相等，則壓強(qiáng)也必然相等。即也必然相等。即p1p2圓體體軸線

21、在水平面上是任意選取的，兩點(diǎn)壓強(qiáng)相等，說(shuō)圓體體軸線在水平面上是任意選取的，兩點(diǎn)壓強(qiáng)相等，說(shuō)明水平面上各點(diǎn)壓強(qiáng)相等，非均質(zhì)流體的水平面仍然是等明水平面上各點(diǎn)壓強(qiáng)相等，非均質(zhì)流體的水平面仍然是等壓面。壓面。靜止均質(zhì)流體的水平面是等壓面是否也適用于靜止非均質(zhì)靜止均質(zhì)流體的水平面是等壓面是否也適用于靜止非均質(zhì)流體呢？流體呢？水平面上的容重是否變化呢水平面上的容重是否變化呢? 在靜止非均質(zhì)流體內(nèi)部，取相距為在靜止非均質(zhì)流體內(nèi)部，取相距為h的兩個(gè)水平面，在它們之間任的兩個(gè)水平面，在它們之間任選兩個(gè)鉛直微小住體，分別計(jì)算它們的壓強(qiáng)差為：選兩個(gè)鉛直微小住體，分別計(jì)算它們的壓強(qiáng)差為：兩柱體的壓強(qiáng)差相等，因而兩柱

22、體的壓強(qiáng)差相等，因而a必等于必等于b，否則，流體就不會(huì)靜止，否則，流體就不會(huì)靜止，要流動(dòng)。當(dāng)兩等壓面無(wú)限接近，即要流動(dòng)。當(dāng)兩等壓面無(wú)限接近，即h0時(shí)，時(shí)， a和和 b就就變成同一變成同一等壓面上兩點(diǎn)的容重，此兩點(diǎn)容重相等，說(shuō)明水平面不僅是等壓面，等壓面上兩點(diǎn)的容重，此兩點(diǎn)容重相等，說(shuō)明水平面不僅是等壓面，而且是等容重面。而且是等容重面。容重與密度成正比，所以，等容重面也是等密度面。容重與密度成正比，所以，等容重面也是等密度面。一、壓強(qiáng)的兩種計(jì)算基準(zhǔn)（絕對(duì)壓強(qiáng)和相對(duì)壓強(qiáng)）一、壓強(qiáng)的兩種計(jì)算基準(zhǔn)（絕對(duì)壓強(qiáng)和相對(duì)壓強(qiáng)）c.真空：真空：是指絕對(duì)壓強(qiáng)小于一個(gè)大氣壓的受壓狀態(tài)，是指絕對(duì)壓強(qiáng)小于一個(gè)大氣壓的

23、受壓狀態(tài)，是負(fù)的相對(duì)壓強(qiáng)。是負(fù)的相對(duì)壓強(qiáng)。 a.絕對(duì)壓強(qiáng)：絕對(duì)壓強(qiáng)：是以絕對(duì)真空狀態(tài)下的壓強(qiáng)（絕對(duì)零壓是以絕對(duì)真空狀態(tài)下的壓強(qiáng)（絕對(duì)零壓強(qiáng)）為基準(zhǔn)計(jì)量的壓強(qiáng)，用強(qiáng)）為基準(zhǔn)計(jì)量的壓強(qiáng)，用 表示。表示。 aP b. 相對(duì)壓強(qiáng)：相對(duì)壓強(qiáng)：又稱(chēng)又稱(chēng)“表壓強(qiáng)表壓強(qiáng)”，是以當(dāng)?shù)毓こ檀髿鈮海且援?dāng)?shù)毓こ檀髿鈮?at) 為基準(zhǔn)計(jì)量的壓強(qiáng)。用表示為基準(zhǔn)計(jì)量的壓強(qiáng)。用表示 ， 可可“”可可“ ”，也可為，也可為“0”。 ePeP正正 壓：壓：相對(duì)壓強(qiáng)為正值（壓力表讀數(shù)）。相對(duì)壓強(qiáng)為正值（壓力表讀數(shù)）。負(fù)負(fù) 壓：壓：相對(duì)壓強(qiáng)為負(fù)值。相對(duì)壓強(qiáng)為負(fù)值。真空度：真空度：負(fù)壓的絕對(duì)值負(fù)壓的絕對(duì)值(真空表讀數(shù)，用真空表讀數(shù)，

24、用Pv表示表示)。A點(diǎn)相對(duì)壓強(qiáng)A點(diǎn)絕對(duì)壓強(qiáng)B點(diǎn)真空度B點(diǎn)絕對(duì)壓強(qiáng)大氣壓強(qiáng)絕對(duì)壓強(qiáng)0pPa0ABPa00AeApphppph敞開(kāi)容器中靜止流體的敞開(kāi)容器中靜止流體的A點(diǎn)相對(duì)壓強(qiáng)的計(jì)算點(diǎn)相對(duì)壓強(qiáng)的計(jì)算相對(duì)壓強(qiáng)的實(shí)際意義相對(duì)壓強(qiáng)的實(shí)際意義 1假定容器的活塞打開(kāi)，容器內(nèi)外氣體假定容器的活塞打開(kāi)，容器內(nèi)外氣體壓強(qiáng)一致，壓強(qiáng)一致，popa，相對(duì)壓強(qiáng)為零。，相對(duì)壓強(qiáng)為零。 2假定容器的壓強(qiáng)假定容器的壓強(qiáng)popa ，這個(gè)超過(guò)大氣壓強(qiáng)的部分，這個(gè)超過(guò)大氣壓強(qiáng)的部分，對(duì)器壁產(chǎn)生的力學(xué)效應(yīng)，使器壁向外擴(kuò)張。如果打開(kāi)活塞，對(duì)器壁產(chǎn)生的力學(xué)效應(yīng)，使器壁向外擴(kuò)張。如果打開(kāi)活塞，氣流向外流出，流出速度與相對(duì)壓強(qiáng)的大小有關(guān)。

25、氣流向外流出，流出速度與相對(duì)壓強(qiáng)的大小有關(guān)。3假定容器壓強(qiáng)嚴(yán)假定容器壓強(qiáng)嚴(yán)po pa 。大氣壓強(qiáng)的部分對(duì)器壁產(chǎn)生。大氣壓強(qiáng)的部分對(duì)器壁產(chǎn)生力學(xué)效應(yīng)，使容器向內(nèi)壓縮。打開(kāi)活塞，空氣一定會(huì)吸入，力學(xué)效應(yīng)，使容器向內(nèi)壓縮。打開(kāi)活塞，空氣一定會(huì)吸入，吸入的速度也和負(fù)的相對(duì)壓強(qiáng)大小有關(guān)。吸入的速度也和負(fù)的相對(duì)壓強(qiáng)大小有關(guān)。二、壓強(qiáng)的三種度量單位二、壓強(qiáng)的三種度量單位a.應(yīng)力單位應(yīng)力單位 這是從壓強(qiáng)定義出發(fā)，以單位面積上的作用力來(lái)表示這是從壓強(qiáng)定義出發(fā)，以單位面積上的作用力來(lái)表示的，的，N/m2，Pa，kN/ m2 ，kPa。 b.大氣壓大氣壓 標(biāo)準(zhǔn)大氣壓：標(biāo)準(zhǔn)大氣壓：1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(atm)=1

26、.013X105Pa=101.3 kPa 工程大氣壓：工程大氣壓：at （1kgf/） c.液柱高度液柱高度 水柱高水柱高mH20：1atm相當(dāng)于相當(dāng)于 1at相當(dāng)于相當(dāng)于 汞柱高汞柱高mmHg：1 atm相當(dāng)于相當(dāng)于 1at相當(dāng)于相當(dāng)于 常用換算關(guān)系：常用換算關(guān)系：1atm=1.03323at=101325Pa=1.01325bar=760mmHg=10332.3mmH2O1at=98070Pa=10000mmH2O=735.6mmHg第四節(jié)第四節(jié) 液柱測(cè)壓計(jì)液柱測(cè)壓計(jì)一、測(cè)壓管一、測(cè)壓管測(cè)壓管：測(cè)壓管：是以液柱高度為表征是以液柱高度為表征測(cè)量點(diǎn)壓強(qiáng)的連通管。一端與測(cè)量點(diǎn)壓強(qiáng)的連通管。一端與

27、被測(cè)點(diǎn)容器壁的孔口相連，另被測(cè)點(diǎn)容器壁的孔口相連，另一端直接一端直接 和大氣相通的直管。和大氣相通的直管。 適用范圍：測(cè)壓管適用于測(cè)量較小的壓強(qiáng)，適用范圍：測(cè)壓管適用于測(cè)量較小的壓強(qiáng)，但不適合測(cè)真空。但不適合測(cè)真空。 注意：注意：1.由于各種液體重度不同，所以?xún)H標(biāo)明高度由于各種液體重度不同，所以?xún)H標(biāo)明高度尺寸不能代表壓力的大小，還必須同時(shí)尺寸不能代表壓力的大小，還必須同時(shí)注注明是何種液體的液柱高度明是何種液體的液柱高度才行。才行。 2.測(cè)壓管只測(cè)壓管只適用于測(cè)量較小的壓力，一般不適用于測(cè)量較小的壓力，一般不超過(guò)超過(guò)10kPa。如果被測(cè)壓力較高，則需要加如果被測(cè)壓力較高，則需要加長(zhǎng)測(cè)壓管的長(zhǎng)度，

28、使用就很不方便。長(zhǎng)測(cè)壓管的長(zhǎng)度，使用就很不方便。 3.測(cè)壓管中的工作介質(zhì)就是被測(cè)容器測(cè)壓管中的工作介質(zhì)就是被測(cè)容器(或管道或管道)中的流體，所以中的流體，所以測(cè)壓管只能用于測(cè)量液體的測(cè)壓管只能用于測(cè)量液體的正壓，正壓，而對(duì)于測(cè)量液體的負(fù)壓以及氣體的壓而對(duì)于測(cè)量液體的負(fù)壓以及氣體的壓力則不適用。力則不適用。4.在測(cè)量過(guò)程中，在測(cè)量過(guò)程中，測(cè)壓管一定要垂直放置，測(cè)壓管一定要垂直放置，否則將會(huì)產(chǎn)生測(cè)量誤差。否則將會(huì)產(chǎn)生測(cè)量誤差。二、二、U形測(cè)壓計(jì)形測(cè)壓計(jì)這種測(cè)壓計(jì)是一個(gè)裝在刻度板上的這種測(cè)壓計(jì)是一個(gè)裝在刻度板上的兩端開(kāi)口的兩端開(kāi)口的U型玻璃管。測(cè)量時(shí)，型玻璃管。測(cè)量時(shí)，管的一端與大氣相通，另一端與被

29、管的一端與大氣相通，另一端與被測(cè)容器相接測(cè)容器相接(如圖如圖)，然后根據(jù)，然后根據(jù)U型型管中液柱的高度差來(lái)計(jì)算被測(cè)容器管中液柱的高度差來(lái)計(jì)算被測(cè)容器中流體的壓力。中流體的壓力。U型管內(nèi)裝有重度型管內(nèi)裝有重度2大于被測(cè)流體重度大于被測(cè)流體重度1的液體工作的液體工作介質(zhì)，介質(zhì)，如水、酒精、四氯化碳和水如水、酒精、四氯化碳和水銀等。它是根據(jù)被測(cè)流體的性質(zhì)、銀等。它是根據(jù)被測(cè)流體的性質(zhì)、被測(cè)壓力的大小和測(cè)量精度等來(lái)選被測(cè)壓力的大小和測(cè)量精度等來(lái)選擇的。擇的。注意注意，工作介質(zhì)與被測(cè)流體相互不能摻混。，工作介質(zhì)與被測(cè)流體相互不能摻混。 如果被測(cè)流體的壓力較高，用一個(gè)如果被測(cè)流體的壓力較高，用一個(gè)U型管則

30、較長(zhǎng)，可以型管則較長(zhǎng)，可以采用串聯(lián)采用串聯(lián)U型管組成多型管組成多U型管測(cè)壓計(jì)。通常采用雙型管測(cè)壓計(jì)。通常采用雙U型管或型管或三三U型管測(cè)壓計(jì)。型管測(cè)壓計(jì)。v圖圖b,測(cè)壓管水面低于測(cè)壓管水面低于A點(diǎn)，以點(diǎn)，以1-1為等壓面，則為等壓面，則 故故A點(diǎn)的負(fù)壓或真空度為：點(diǎn)的負(fù)壓或真空度為：v 如果需要測(cè)定氣體壓強(qiáng)，可以采用如果需要測(cè)定氣體壓強(qiáng)，可以采用u形管盛水，如圖形管盛水，如圖c所示。所示。因?yàn)榭諝馊葜剡h(yuǎn)小于水，一般容器中的氣體高度又不太大，因因?yàn)榭諝馊葜剡h(yuǎn)小于水，一般容器中的氣體高度又不太大，因此、可以忽略氣柱高度所產(chǎn)生的壓強(qiáng)。認(rèn)為靜止氣體充滿(mǎn)的生此、可以忽略氣柱高度所產(chǎn)生的壓強(qiáng)。認(rèn)為靜止氣體

31、充滿(mǎn)的生間各點(diǎn)膿強(qiáng)相等?，F(xiàn)仍以間各點(diǎn)膿強(qiáng)相等?，F(xiàn)仍以1-1面為等壓面，則面為等壓面，則v圖圖a,測(cè)壓管水面高于測(cè)壓管水面高于A點(diǎn)，點(diǎn)，AA為正值。即為正值。即U型管差壓計(jì)用來(lái)測(cè)量?jī)蓚€(gè)容器或型管差壓計(jì)用來(lái)測(cè)量?jī)蓚€(gè)容器或同一容器同一容器(或管道等或管道等)流體中不同位流體中不同位置兩點(diǎn)的壓力差。測(cè)量時(shí)，把置兩點(diǎn)的壓力差。測(cè)量時(shí)，把U型型管兩端分別和不同的壓力測(cè)點(diǎn)管兩端分別和不同的壓力測(cè)點(diǎn)A和和B相接，如圖所示。相接，如圖所示。三、差壓計(jì)三、差壓計(jì)如果測(cè)量較小的液體壓力差時(shí)，也可以采用倒置式如果測(cè)量較小的液體壓力差時(shí)，也可以采用倒置式U型管差型管差壓計(jì)。如果被測(cè)量的流體的壓力差較大，則壓計(jì)。如果被測(cè)

32、量的流體的壓力差較大，則可采用可采用雙雙U型管型管或多或多U型管差壓計(jì)。型管差壓計(jì)。圖圖a為測(cè)定為測(cè)定A、B兩處液體壓強(qiáng)差的空氣壓差計(jì)由于氣柱高度兩處液體壓強(qiáng)差的空氣壓差計(jì)由于氣柱高度不大，可以認(rèn)為兩液面為等壓面，故得不大，可以認(rèn)為兩液面為等壓面，故得需要測(cè)定的壓差較大時(shí)，采用圖需要測(cè)定的壓差較大時(shí)，采用圖b所示的水銀壓差計(jì)。根據(jù)所示的水銀壓差計(jì)。根據(jù)1、2點(diǎn)為點(diǎn)為等壓面得等壓面得如如A、B為同種液體，即為同種液體，即AB 如如A、B為同種液體，在同一高度，為同種液體，在同一高度，ZIZ2，則，則如果，如果，A、B兩處為同一氣體，則兩處為同一氣體，則當(dāng)測(cè)量很微小的流體壓力時(shí)，為了提高測(cè)量精度，

33、常常當(dāng)測(cè)量很微小的流體壓力時(shí)，為了提高測(cè)量精度，常常采用微壓計(jì)。微壓計(jì)的結(jié)構(gòu)如圖所示，一般用于測(cè)定氣采用微壓計(jì)。微壓計(jì)的結(jié)構(gòu)如圖所示，一般用于測(cè)定氣體壓強(qiáng)。它是由一個(gè)大容器連接一個(gè)可以調(diào)整傾斜角度體壓強(qiáng)。它是由一個(gè)大容器連接一個(gè)可以調(diào)整傾斜角度的細(xì)玻璃管組成，其中盛有重度為的細(xì)玻璃管組成，其中盛有重度為的工作液體。的工作液體。四、微壓計(jì)四、微壓計(jì)測(cè)壓前，微壓計(jì)兩端與大氣相通，容器與斜管內(nèi)的液面平齊。測(cè)壓前，微壓計(jì)兩端與大氣相通，容器與斜管內(nèi)的液面平齊。當(dāng)測(cè)量容器或管道中的某處壓力時(shí)，將微壓計(jì)上端的測(cè)壓當(dāng)測(cè)量容器或管道中的某處壓力時(shí)，將微壓計(jì)上端的測(cè)壓口與被測(cè)氣體容器或管道的測(cè)點(diǎn)相接，若被測(cè)氣體

34、的壓力口與被測(cè)氣體容器或管道的測(cè)點(diǎn)相接，若被測(cè)氣體的壓力ppa，則在該壓力作用下，微壓計(jì)容器中液面下降至新位，則在該壓力作用下，微壓計(jì)容器中液面下降至新位置置,而傾斜玻璃管中的液面上升了而傾斜玻璃管中的液面上升了長(zhǎng)度，其上升高度長(zhǎng)度，其上升高度h= sin 。當(dāng)測(cè)量時(shí)，當(dāng)測(cè)量時(shí)，為定值，只需測(cè)得傾斜長(zhǎng)為定值，只需測(cè)得傾斜長(zhǎng)度度Z，就可得出壓差。由于，就可得出壓差。由于/sin ，當(dāng)當(dāng)sin 0.5時(shí)，時(shí)，2h；當(dāng)；當(dāng)sin 0.2時(shí)，時(shí)，5h。說(shuō)明傾斜角度越小，。說(shuō)明傾斜角度越小，比比h放大的倍數(shù)就越大，側(cè)的精度就更放大的倍數(shù)就越大，側(cè)的精度就更高。高。愈小，讀數(shù)愈小，讀數(shù)就越大。因此，常用容

35、重比水更小的液體，例如酒精以提高精度。就越大。因此，常用容重比水更小的液體，例如酒精以提高精度。用于用于測(cè)定較大的壓強(qiáng)測(cè)定較大的壓強(qiáng)。優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：攜帶方便、裝置簡(jiǎn)單、安裝容攜帶方便、裝置簡(jiǎn)單、安裝容易、測(cè)讀方便、經(jīng)久耐用，是測(cè)量壓易、測(cè)讀方便、經(jīng)久耐用，是測(cè)量壓強(qiáng)的主要儀器。強(qiáng)的主要儀器。構(gòu)造：構(gòu)造：常用的一種彈簧測(cè)壓計(jì)見(jiàn)圖。常用的一種彈簧測(cè)壓計(jì)見(jiàn)圖。原理：原理：其內(nèi)裝有一端開(kāi)口，一端封閉其內(nèi)裝有一端開(kāi)口，一端封閉端面為橢圓形的鐮刀形黃銅管，開(kāi)口端面為橢圓形的鐮刀形黃銅管，開(kāi)口端與被測(cè)定壓強(qiáng)的液體連通，測(cè)壓時(shí)，端與被測(cè)定壓強(qiáng)的液體連通，測(cè)壓時(shí)，由于壓強(qiáng)的作用，黃銅管隨著壓強(qiáng)的由于壓強(qiáng)的作用，黃

36、銅管隨著壓強(qiáng)的增加而發(fā)生伸展，從而帶動(dòng)扇形齒輪增加而發(fā)生伸展，從而帶動(dòng)扇形齒輪使指針偏轉(zhuǎn)，把液體的相對(duì)壓強(qiáng)值在使指針偏轉(zhuǎn)，把液體的相對(duì)壓強(qiáng)值在表盤(pán)上顯示出來(lái)。表盤(pán)上顯示出來(lái)。五、金屬壓力表五、金屬壓力表第五節(jié)第五節(jié) 作用在平面上的流體靜壓力作用在平面上的流體靜壓力在工程實(shí)際中，有時(shí)需要解決液體對(duì)固體壁面的總作在工程實(shí)際中，有時(shí)需要解決液體對(duì)固體壁面的總作用力問(wèn)題。在已知流體的靜壓力分布規(guī)律后，用力問(wèn)題。在已知流體的靜壓力分布規(guī)律后，求總壓求總壓力的問(wèn)題，實(shí)質(zhì)上就是求受壓面上分布力的合力問(wèn)題。力的問(wèn)題，實(shí)質(zhì)上就是求受壓面上分布力的合力問(wèn)題。本節(jié)討論作用在平面上的總壓力及其壓力中心。本節(jié)討論作用在

37、平面上的總壓力及其壓力中心。 作用在平面上總壓力的計(jì)算方法有兩種：作用在平面上總壓力的計(jì)算方法有兩種：解析法和圖解法。解析法和圖解法。一、解析法一、解析法 1.平面總壓力大小平面總壓力大小hhChDyyCyD.oxybadACD設(shè)有一與水平面成設(shè)有一與水平面成夾角的傾斜夾角的傾斜平面平面ab，其面積為，其面積為A，左側(cè)受水，左側(cè)受水壓力，水面大氣壓強(qiáng)為壓力，水面大氣壓強(qiáng)為p0，在平，在平板表面所在的平面上建立坐標(biāo)，板表面所在的平面上建立坐標(biāo)，原點(diǎn)原點(diǎn)o取在平板表面與液面的交取在平板表面與液面的交線上，線上，ox軸與交線重合，軸與交線重合，oy軸沿軸沿平板向下。平板向下。設(shè)在受壓平面上任取一微元

38、面積設(shè)在受壓平面上任取一微元面積dA，其中心點(diǎn)在液面下的深度為，其中心點(diǎn)在液面下的深度為h，作用在作用在dA中心點(diǎn)上的壓強(qiáng)為中心點(diǎn)上的壓強(qiáng)為p=p0+h，則作用在微元面積，則作用在微元面積dA上的總壓力為上的總壓力為hhChDyyCyD.oxybadACDdF=pdA=(p0+h)dA=p0dA+ysindA考慮相對(duì)壓強(qiáng)考慮相對(duì)壓強(qiáng)dF=pdA=hdA=ysindA整個(gè)平面由無(wú)數(shù)整個(gè)平面由無(wú)數(shù)dA組成，則整組成，則整個(gè)平板所受水靜壓力由個(gè)平板所受水靜壓力由dF求和求和得到。得到。hhChDyyCyD.oxybadACD根據(jù)平行力系求和原理，作用在根據(jù)平行力系求和原理，作用在平面上的水靜壓力平面

39、上的水靜壓力ydAsinysindAdAAFF式中式中 為面積為面積A對(duì)對(duì)ox軸的軸的靜面矩靜面矩，由理論力學(xué)知，它由理論力學(xué)知，它等于面積等于面積A與其形心坐標(biāo)與其形心坐標(biāo)yc的乘積，即的乘積，即ydAAF=sinycA=hcA=pcA上式表明：上式表明：靜止液體作用在靜止液體作用在任意形狀平面上的總壓力的任意形狀平面上的總壓力的大小大小，等于該平面形心處的，等于該平面形心處的靜壓力與平面面積的乘積。靜壓力與平面面積的乘積。液體總壓力的液體總壓力的方向方向垂直指向垂直指向受壓面的內(nèi)法線方向。受壓面的內(nèi)法線方向。hhChDyyCyD.oxybadACD2.確定總壓力的作用點(diǎn)確定總壓力的作用點(diǎn)壓

40、力中心壓力中心 總壓力的作用點(diǎn)又稱(chēng)為總壓力的作用點(diǎn)又稱(chēng)為壓力中壓力中心心。壓力中心。壓力中心D的位置，可根的位置，可根據(jù)理論力學(xué)中的據(jù)理論力學(xué)中的合力矩定理合力矩定理求求得，即得，即各分力對(duì)某一軸的靜力各分力對(duì)某一軸的靜力矩之和等于其合力對(duì)同一軸的矩之和等于其合力對(duì)同一軸的靜力矩。靜力矩。hhChDyyCyD.oxybadACD微小面積微小面積dA所受水靜壓力所受水靜壓力 dF=hdA=ysindA對(duì)對(duì)0 x軸力矩軸力矩sindAyyddM2 FdAysinM2合力矩合力矩 總壓力總壓力F對(duì)對(duì)ox軸的靜力矩為軸的靜力矩為:hhChDyyCyD.oxybadACD整個(gè)平面所受合壓力整個(gè)平面所受合

41、壓力F，假設(shè)作，假設(shè)作用點(diǎn)距用點(diǎn)距ox軸為軸為yD，則：，則：根據(jù)合力矩定理根據(jù)合力矩定理DAyc2ysindAysinDCDCDAyyAyhFyMsinxDcJyy A所以所以式中式中 為受壓面對(duì)為受壓面對(duì)ox軸的慣性矩軸的慣性矩Ady2XJ根據(jù)平行移軸定理：根據(jù)平行移軸定理：2XCCJJy AhhChDyyCyD.oxybadACD其中其中 為受壓面對(duì)通過(guò)平面形心并與平為受壓面對(duì)通過(guò)平面形心并與平行于行于ox軸的軸的慣性矩。軸的軸的慣性矩。CJcDccJyyy A由于由于 恒為正值，故有恒為正值，故有yDyc。說(shuō)明。說(shuō)明壓力中心壓力中心D點(diǎn)總是低于形心點(diǎn)總是低于形心C。ccJy A結(jié)論：結(jié)

42、論： （1）水靜壓力大小為形心處壓強(qiáng)乘以平面面積。）水靜壓力大小為形心處壓強(qiáng)乘以平面面積。 （2）水靜壓力方向垂直于受壓平面，并指向平面內(nèi)法）水靜壓力方向垂直于受壓平面，并指向平面內(nèi)法線方向。線方向。 （3）作用點(diǎn)）作用點(diǎn)yD在形心下方，用在形心下方，用yD= yC+ JC/ycA來(lái)算。來(lái)算。例例1：一鉛直船閘門(mén)門(mén)寬一鉛直船閘門(mén)門(mén)寬B=5m，閘門(mén)一側(cè)水深為，閘門(mén)一側(cè)水深為H=7.5m，另一側(cè)水深，另一側(cè)水深h=3m，求作用在此閘門(mén)上的水平合壓力及作用線位置。，求作用在此閘門(mén)上的水平合壓力及作用線位置。B5mH=7.5mh=3mxyyD1yD2yFP1P2解：左邊：迎水面積 形心： 作用力： 作

43、用點(diǎn)： 右邊：面積 形心BHA12HhC121C11BH2AhPH646H2HBH2H12BH2HAyIyy3cccD1B5mH=7.5mh=3mxyyD1yD2yFP1P2H32yD1BhA22hhc2作用力：作用點(diǎn)： 合力作用線：假設(shè)合力的作用線距底邊為y，則：22c22Bh2AhPh32yD2)hB(H2PPF22213hP3HPyF21h)h)(H3(H)hHhh)(H(Hy22h)3(HhHhH22代入數(shù)據(jù)，2.79myB5mH=7.5mh=3mxyyD1yD2yFP1P2例例2：矩形閘門(mén)矩形閘門(mén)AB可繞其頂端可繞其頂端A軸旋轉(zhuǎn)，由固定閘門(mén)上的一個(gè)重物來(lái)保持軸旋轉(zhuǎn)，由固定閘門(mén)上的一個(gè)

44、重物來(lái)保持閘門(mén)的關(guān)閉。已知閘門(mén)寬閘門(mén)的關(guān)閉。已知閘門(mén)寬1.2m，長(zhǎng)，長(zhǎng)0.9m，整個(gè)閘門(mén)和重物，整個(gè)閘門(mén)和重物1000kg，重，重心在心在G處，與處，與A水平距離為水平距離為0.3m，求水深多大時(shí)，閘門(mén)剛好打開(kāi)，求水深多大時(shí)，閘門(mén)剛好打開(kāi)（=60，設(shè)水深為，設(shè)水深為H）。）。x.b=1.2mh=0.9m0.3mG GACDoyhChDHP PEB解：解：要使閘門(mén)打開(kāi)，閘門(mén)迎水面所受水的總壓力對(duì)轉(zhuǎn)軸要使閘門(mén)打開(kāi)，閘門(mén)迎水面所受水的總壓力對(duì)轉(zhuǎn)軸A的力矩至少應(yīng)等的力矩至少應(yīng)等于閘門(mén)與重物重量對(duì)于閘門(mén)與重物重量對(duì)A的力矩的力矩。x.b=1.2mh=0.9m0.3mG GACDoyhChDHP PEBM

45、水水M物（物（等號(hào)為剛好打開(kāi)等號(hào)為剛好打開(kāi)）面積面積 A= bh形心形心AE21HhchsinAE 力力 AhPChhsin)b21(H壓力作用點(diǎn)：壓力作用點(diǎn)：32CDCCCCCCbhJh12yyyyy Ay bh12y又 C2CD12yhyyDCsinhyCC0.3GMDAPM物水hsin)2112(Hsinhc12hsinhDC222hDCCADCDAx.b=1.2mh=0.9m0.3mG GACDoyhChDHP PEB代入以上數(shù)據(jù)，得代入以上數(shù)據(jù)，得 H0.88m故當(dāng)故當(dāng) H=0.88m，閘門(mén)剛好打開(kāi)。，閘門(mén)剛好打開(kāi)。二、圖解法二、圖解法1.繪制水靜壓強(qiáng)分布圖繪制水靜壓強(qiáng)分布圖使用圖解

46、法，首先需要繪制靜壓力分布圖，然后再根據(jù)它使用圖解法，首先需要繪制靜壓力分布圖，然后再根據(jù)它來(lái)計(jì)算總壓力。來(lái)計(jì)算總壓力。靜壓力分布圖靜壓力分布圖是依據(jù)水靜力學(xué)基是依據(jù)水靜力學(xué)基本方程本方程p=p0+h，直接在受壓面，直接在受壓面上繪制表示各點(diǎn)靜壓力大小和方上繪制表示各點(diǎn)靜壓力大小和方向的圖形。向的圖形。幾種常見(jiàn)受壓面的靜壓力分布圖。幾種常見(jiàn)受壓面的靜壓力分布圖。 靜水壓強(qiáng)分布圖繪制規(guī)則：靜水壓強(qiáng)分布圖繪制規(guī)則：1）按照一定的比例尺，用一定長(zhǎng)度的線段代表靜水壓強(qiáng)的大）按照一定的比例尺，用一定長(zhǎng)度的線段代表靜水壓強(qiáng)的大 ??；小； 2） 用箭頭標(biāo)出靜水壓強(qiáng)的方向，并與該處作用面垂直。受用箭頭標(biāo)出靜水

47、壓強(qiáng)的方向，并與該處作用面垂直。受壓面為平面的情況下，壓強(qiáng)分布圖的外包線為直線；當(dāng)受壓面為平面的情況下，壓強(qiáng)分布圖的外包線為直線；當(dāng)受壓面為曲線時(shí)，曲面的長(zhǎng)度與水深不成直線函數(shù)關(guān)系，故壓面為曲線時(shí)，曲面的長(zhǎng)度與水深不成直線函數(shù)關(guān)系，故壓強(qiáng)分布圖外包線亦為曲線。壓強(qiáng)分布圖外包線亦為曲線。計(jì)算總壓力的大小計(jì)算總壓力的大小現(xiàn)在對(duì)高為現(xiàn)在對(duì)高為H、寬為、寬為b、底邊平行于水平面的垂直矩形平面、底邊平行于水平面的垂直矩形平面AB(如圖如圖)，計(jì)算其總壓力，為，計(jì)算其總壓力，為上式中上式中 (2p0+H)H/2 恰為靜壓力分布圖恰為靜壓力分布圖ABCD的面積，我們用的面積，我們用表示，則上表示，則上式可寫(xiě)

48、成式可寫(xiě)成 P= bHbHpHbHpHbhpApPcc)2(21)21()(000由此可見(jiàn)，由此可見(jiàn)，液體作用在底邊平行于水平面的矩形平面上的總壓液體作用在底邊平行于水平面的矩形平面上的總壓力，等于靜壓力分布圖的面積與矩形平面寬度的乘積。力，等于靜壓力分布圖的面積與矩形平面寬度的乘積。 或者說(shuō)，其總壓力等于靜壓力分布圖的體積。或者說(shuō)，其總壓力等于靜壓力分布圖的體積。 由于靜壓力分布圖所表示的正是力的分布情況，而總壓由于靜壓力分布圖所表示的正是力的分布情況，而總壓力則是平面上各微元面積上所受液體壓力的合力。所以力則是平面上各微元面積上所受液體壓力的合力。所以總壓總壓力的作用線，必然通過(guò)靜壓力分布

49、圖的形心，其方向垂直指力的作用線，必然通過(guò)靜壓力分布圖的形心，其方向垂直指向受壓面的內(nèi)法線方向。向受壓面的內(nèi)法線方向。判斷：下列壓強(qiáng)分布圖中哪個(gè)是錯(cuò)誤的？判斷：下列壓強(qiáng)分布圖中哪個(gè)是錯(cuò)誤的？ 第六節(jié)第六節(jié) 作用在曲面上靜止流體的總壓力作用在曲面上靜止流體的總壓力Hoover Dam胡佛水壩 Channel 圖中圓柱長(zhǎng)為圖中圓柱長(zhǎng)為，母線與紙面垂直。受，母線與紙面垂直。受壓壓曲曲面面AB，左側(cè)受水靜壓力作用，在，左側(cè)受水靜壓力作用，在表面上任意取一微元面積表面上任意取一微元面積dA取一點(diǎn)取一點(diǎn)E，E點(diǎn)距水面距離為點(diǎn)距水面距離為h，以，以E點(diǎn)為中，則作點(diǎn)為中，則作用在用在dA上的水靜壓力為：上的水

50、靜壓力為：hdApdAdP假設(shè)假設(shè)dP與水平面夾角為與水平面夾角為，則，則dP在在水平水平方向和方向和鉛直鉛直方向的分量：方向的分量：水平方向水平方向hdAcosdPcosdPX鉛直方向鉛直方向hdAsindPsindPZABCDhdPdAxzEdPZdPXdAdAZdAXdP從右圖可得：從右圖可得：ZdAdAcosXdAdAsin微元面在鉛直面上的投影微元面在鉛直面上的投影微元面在水平面上的投影微元面在水平面上的投影zxhdAdP xzhdAdP zzxhdAhdAPxxzhdAhdAP則則1、水平方向：、水平方向：ABCDhdPdAxzEdPZdPXdAdAZdAXdPzhdA為面為面AB

51、在鉛直面上的投影面在鉛直面上的投影面積積Az對(duì)水面水平軸的靜矩。對(duì)水面水平軸的靜矩。假設(shè)假設(shè)hc為為Az的形心在水面下淹沒(méi)深的形心在水面下淹沒(méi)深度則度則zczAhhdA zcxAhP 作用在曲面上流體壓力的水平分量是作用在曲面上流體壓力的水平分量是Px等于等于作用于該曲面鉛直投影面上的水靜壓力。作用于該曲面鉛直投影面上的水靜壓力。2、鉛直方向：、鉛直方向：ABCDhdPdAxzEdPZdPXhdAx是以是以dAx為底面積，水深為底面積，水深h為高為高的柱體體積；的柱體體積；DCABdAxxhdA則為整個(gè)受壓曲面則為整個(gè)受壓曲面AB與其在自由面的與其在自由面的投影面投影面CD這兩個(gè)面之間的柱體這

52、兩個(gè)面之間的柱體ABCD的體積；的體積；壓力體VhdAPxz鉛直分量鉛直分量Pz為其壓力體的液體重量。為其壓力體的液體重量。3、壓力體、壓力體u 壓力體體積的組成：壓力體體積的組成：受壓曲面本身；受壓曲面本身；通過(guò)曲面周?chē)吘壦鞯你U垂面；通過(guò)曲面周?chē)吘壦鞯你U垂面； 自由液面或自由液面的延長(zhǎng)線。自由液面或自由液面的延長(zhǎng)線。u壓力體的種類(lèi)：壓力體的種類(lèi)： 實(shí)壓力體實(shí)壓力體和和虛壓力體虛壓力體。實(shí)壓力體實(shí)壓力體Fz方向向下，虛壓方向向下，虛壓力體力體Fz方向向上。方向向上。4、壓力體的繪制、壓力體的繪制動(dòng)畫(huà)一動(dòng)畫(huà)二動(dòng)畫(huà)六動(dòng)畫(huà)五動(dòng)畫(huà)四動(dòng)畫(huà)三4、靜水總壓力、靜水總壓力1）作用在曲面上的靜水總壓力大

53、小：作用在曲面上的靜水總壓力大?。?2z2xPPP2）作用線與水平方向的夾角：）作用線與水平方向的夾角：xzPParctanPxPPzPPXPZ3. 總壓力的合成總壓力的合成 總壓力的大小利用水平分力及鉛垂分力通過(guò)總壓力的大小利用水平分力及鉛垂分力通過(guò)求合力的方法求得。求合力的方法求得。結(jié)論：曲面上的靜水總壓力的計(jì)算結(jié)論：曲面上的靜水總壓力的計(jì)算1.計(jì)算水平分力計(jì)算水平分力 正確繪制曲面的鉛垂投影圖，求出該投正確繪制曲面的鉛垂投影圖，求出該投影圖的面積及形心深度，然后求出水平分力；影圖的面積及形心深度，然后求出水平分力；2.計(jì)算鉛垂分力計(jì)算鉛垂分力 正確繪制曲面的壓力體。壓力體體積由以下正確繪

54、制曲面的壓力體。壓力體體積由以下幾種面圍成：受壓曲面本身、通過(guò)曲面周?chē)吘壸鞯你U垂面、幾種面圍成：受壓曲面本身、通過(guò)曲面周?chē)吘壸鞯你U垂面、液面或液面的延長(zhǎng)線。鉛垂分力的大小即為壓力體的重量；液面或液面的延長(zhǎng)線。鉛垂分力的大小即為壓力體的重量；例例1：如圖所示一擋水弧形閘門(mén)，已知：如圖所示一擋水弧形閘門(mén)，已知R=2m,=30度度,h=5m,試求單位寬度所受的水靜總壓力的大小。試求單位寬度所受的水靜總壓力的大小。RBAEDChhcF解：水平方向的壓力等于面解：水平方向的壓力等于面EB上的水壓力：上的水壓力：RBAEDChhcFRsin21hchRsinEBxc1Fh A (hRsin)Rsin

55、12鉛直方向的壓力等于壓力體鉛直方向的壓力等于壓力體CABEDC的水重。分成兩部分：的水重。分成兩部分：RcosRsin21R360SSS2BFEABFABE1.Rcos)Rsin)(R(hSCAED2.sincos)R21R360(cos)Rsin)R(1(hF22Z1)S(SVFCAEDABEZRBAEDChhcFsincos)R21R360(cos)Rsin)R(1(hF22Z1)S(SVFCAEDABEZ則：則：代入數(shù)據(jù)得：代入數(shù)據(jù)得：N12287FN44127FZX;第七節(jié)第七節(jié) 流體平衡微分方程式流體平衡微分方程式一一.流體平衡微分方程式流體平衡微分方程式二二.有勢(shì)質(zhì)量力及力的勢(shì)函

56、數(shù)有勢(shì)質(zhì)量力及力的勢(shì)函數(shù)三三.等壓面等壓面一、流體平衡微分方程一、流體平衡微分方程歐拉平衡方程歐拉平衡方程 在流體內(nèi)部取以任意點(diǎn)在流體內(nèi)部取以任意點(diǎn)A為中心的微小正六面體，六面體為中心的微小正六面體，六面體的各邊分別與直角坐標(biāo)軸平行，邊長(zhǎng)分別為的各邊分別與直角坐標(biāo)軸平行，邊長(zhǎng)分別為dx、dy、dz。中心點(diǎn)的壓強(qiáng)為中心點(diǎn)的壓強(qiáng)為 p(x,y,z)=p，對(duì)其進(jìn)行受力分析：，對(duì)其進(jìn)行受力分析： 1.方程推導(dǎo)方程推導(dǎo)靜止流體只受到質(zhì)量力和由壓力產(chǎn)生的法向表面力，這靜止流體只受到質(zhì)量力和由壓力產(chǎn)生的法向表面力，這些力應(yīng)該滿(mǎn)足的關(guān)系些力應(yīng)該滿(mǎn)足的關(guān)系流體平衡的微分方程式。流體平衡的微分方程式。 v作用在六

57、面體上的表面力只有周?chē)黧w對(duì)它的壓力。因此先作用在六面體上的表面力只有周?chē)黧w對(duì)它的壓力。因此先確定六面體各面上的壓強(qiáng)。設(shè)點(diǎn)確定六面體各面上的壓強(qiáng)。設(shè)點(diǎn)A的坐標(biāo)為的坐標(biāo)為x、y、z，壓強(qiáng)，壓強(qiáng)為為p。由于壓強(qiáng)是坐標(biāo)的連續(xù)函數(shù)，則離該點(diǎn)。由于壓強(qiáng)是坐標(biāo)的連續(xù)函數(shù)，則離該點(diǎn) 處的壓強(qiáng)處的壓強(qiáng)為為 ，并且可將，并且可將 在在 處用處用泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)，即泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)，即1d2y1( ,d , )2p x yy z1( ,d , )2p x yy z( , , )p x y z222, , ,111,d , ,d(d )228p x y zpx y zp x yy zp x y zyyyy如果如果dy為無(wú)

58、限小量，則在上述級(jí)數(shù)為無(wú)限小量，則在上述級(jí)數(shù)中二階及二階以上的高階小量均可中二階及二階以上的高階小量均可略去，即等號(hào)右邊只取前兩項(xiàng)已經(jīng)略去，即等號(hào)右邊只取前兩項(xiàng)已經(jīng)可以滿(mǎn)足精度要求，則上式可以簡(jiǎn)可以滿(mǎn)足精度要求，則上式可以簡(jiǎn)寫(xiě)為：寫(xiě)為：, ,11,d , ,d22p x y zp x yy zp x y zyy 則沿則沿y軸方向的六面體邊界面軸方向的六面體邊界面abcd和和 中心點(diǎn)處中心點(diǎn)處的壓強(qiáng)分別為的壓強(qiáng)分別為 和和 。作用在這兩個(gè)。作用在這兩個(gè)面上的法向力為面上的法向力為 和和 。 a b c d1d2ppyy1d2ppyy1dd d2ppyxzy1dd d2ppyxzy當(dāng)微小六面體處于

59、平衡狀態(tài)時(shí)，方向的合力為，即：當(dāng)微小六面體處于平衡狀態(tài)時(shí)，方向的合力為，即： 11dd ddd dd dd022pppyxzpyxzYxyzyy 同理可以寫(xiě)出、方向的力平衡方程式，即：同理可以寫(xiě)出、方向的力平衡方程式，即：11ddddddd dd02211dd ddd dd dd022xzpppxyzpxyzfxyzxxpppzxypzxyfxyzzzv用 除以上x(chóng)、y、z軸方向的力平衡方程式，并化簡(jiǎn)得d ddxyz111pXxpYypZz 以上三個(gè)式子用矢量形式表示為以上三個(gè)式子用矢量形式表示為 10fp 這就是這就是流體平衡微分方程式。流體平衡微分方程式。它是歐它是歐拉在拉在1755年首先

60、提出的，所以又稱(chēng)為年首先提出的，所以又稱(chēng)為歐拉平衡微分方程式。歐拉平衡微分方程式。2.物理意義：物理意義：1）處于平衡狀態(tài)的流體，單位質(zhì)量流體所受的）處于平衡狀態(tài)的流體，單位質(zhì)量流體所受的表面力分量與表面力分量與 質(zhì)量力分量彼此相等。質(zhì)量力分量彼此相等。 2）壓強(qiáng)沿軸向的變化率（）壓強(qiáng)沿軸向的變化率（ ）等于軸向單）等于軸向單位體積上的質(zhì)量力的分量（位體積上的質(zhì)量力的分量（X，Y，Z）。）。 歐拉平衡微分方程是流體靜力學(xué)最基本的方程，它歐拉平衡微分方程是流體靜力學(xué)最基本的方程，它 可解決流體靜力學(xué)中許多基本問(wèn)題?？山鉀Q流體靜力學(xué)中許多基本問(wèn)題。 1.歐拉平衡微分方程歐拉平衡微分方程適用于靜止流