工程流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)

-6465-2-11平面上的靜水總壓力測量實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵鬁y定矩形平面上的靜水總壓力；驗(yàn)證靜水壓力理論的正確性。二、實(shí)驗(yàn)裝置本實(shí)驗(yàn)采用電測平面靜水總壓力實(shí)驗(yàn)儀。該儀器的調(diào)平容易，測讀便捷，實(shí)驗(yàn)省時(shí)，荷載靈敏度為0.2g，系統(tǒng)精度可達(dá)1%左右。1．實(shí)驗(yàn)裝置簡圖實(shí)驗(yàn)裝置及各部分名稱如圖1所示。圖1電測平面靜水總壓力實(shí)驗(yàn)裝置圖1.杠桿；2.軸向水準(zhǔn)泡；3.扇形體；4.支點(diǎn)；5.橫向水平調(diào)節(jié)螺絲；6.垂尺(老款式)；7.杠桿水平微調(diào)螺絲；8.橫向水準(zhǔn)泡；9.水位尺；10.上水箱；11.前溢水管；12.后供水管；13.上水箱放水閥；14.開關(guān)盒；15.下水箱；16.水泵；17.掛重線；18.鎖緊螺絲；19.杠桿水平粗調(diào)旋鈕；20.壓重體；21.電子秤2.裝置說明(1)扇形體3的受力狀況。扇形體3由兩個(gè)同心的大小圓柱曲面、兩個(gè)扇形平面和一個(gè)矩形平面組成。懸掛扇形體的杠桿1的支點(diǎn)轉(zhuǎn)軸，位于扇形體同心圓的圓心軸上。由于靜水壓強(qiáng)垂直于作用面，因此扇形體大小圓柱曲面上各點(diǎn)處的靜水壓力線均通過支點(diǎn)軸；而兩個(gè)扇形平面所受的水壓力，大小相等、作用點(diǎn)相同、方向相反。表明，無論水位高低，以上各面上的靜水壓力，對(duì)杠桿均不產(chǎn)生作用。扇形體上唯一能使杠桿平衡起作用的靜水作用面是矩形平面。(2)測力機(jī)構(gòu)，如圖2。測力機(jī)構(gòu)由系在杠桿右端螺絲上的掛重線、壓重體和電子秤所組成。由于壓重體的重量較大，即使在扇形體完全離水時(shí)，也不會(huì)將掛重體吊離電子秤。一旦扇形體浸水，在靜水壓力作用下，通過杠桿效應(yīng)，使掛重線上的預(yù)應(yīng)力減小，并釋放到電子秤上，使電子秤上的質(zhì)量力增加。由此，根據(jù)電子秤的讀值及杠桿的力臂關(guān)系，便可測量矩形平面的靜水總壓力。圖2測力機(jī)構(gòu)3.基本操作方法： (1)上水箱水位的調(diào)節(jié)通過打開水泵16供水，或打開閥13放水來實(shí)現(xiàn)。(2)杠桿的軸向水平的標(biāo)準(zhǔn)是水準(zhǔn)泡7居中。由調(diào)節(jié)旋鈕19（收、放掛重線長度）進(jìn)行粗調(diào)，調(diào)節(jié)前需松開鎖緊螺絲18，調(diào)節(jié)后需擰緊。水平微調(diào)采用微調(diào)螺絲7調(diào)節(jié)。(3)橫向水平標(biāo)準(zhǔn)是水準(zhǔn)泡8居中，調(diào)節(jié)螺絲5即可。(4)掛重線17的垂直度調(diào)整，對(duì)于老款式儀器可用帶鏡面的垂尺6校驗(yàn)。移動(dòng)壓重體位置使掛重線與垂尺中的垂線重合。（新款儀器無需調(diào)節(jié)，自動(dòng)保持垂直度。）(5)用水位尺9測量水位，用電子秤測量質(zhì)量力。需在上水箱加水前將杠桿的軸向與橫向調(diào)平，并在調(diào)平后將電子秤的皮重清零，若不能清零，可開關(guān)電子秤電源，電子秤可自動(dòng)清零。三、實(shí)驗(yàn)原理1.靜止液體作用在任意平面上的總壓力靜水總壓力求解，包括大小、方向和作用點(diǎn)。圖3中MN是與水平面形成角的一斜置任意平面的投影線。右側(cè)承受水的作用，受壓面面積為A。C代表受壓平面的形心，F(xiàn)代表平面上靜水總壓力，D代表靜水總壓力的作用點(diǎn)。作用在任意方位，任意形狀平面上的靜水總壓力F的大小等于受壓面面積與其形心點(diǎn)C所受靜水壓強(qiáng)的乘積，即總壓力的方向是沿著受壓面的內(nèi)法線方向。2.矩形平面上的靜水總壓力設(shè)一矩形平面傾斜置于水中，如圖4。矩形平面頂離水面高度為h，底離水面高度為H，且矩形寬度為b，高度為a?？倝毫Υ笮為合力作用點(diǎn)距底的距離e為若壓強(qiáng)為三角形分布，則h=0，總壓力大小為合力作用點(diǎn)距底的距離為若作用面是鉛垂放置的，如圖5，可令即壓強(qiáng)為梯形分布或三角形分布，其總壓力大小均可表示為合力作用點(diǎn)距底距離也均可表示為四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與方法實(shí)驗(yàn)測量扇形體垂直矩形平面上的靜水總壓力大小，其作用點(diǎn)位置可由理論公式計(jì)算確定。力與力臂關(guān)系見圖2。要求分別在壓強(qiáng)三角形分布和梯形分布條件下，不同水位各測量2~3次。測量方法參照基本操作方法，每次測讀前均需檢查調(diào)節(jié)水平度。實(shí)驗(yàn)結(jié)束，放空上水箱，調(diào)平儀器，檢查電子秤是否回零。一般回零殘值在1~2g以內(nèi)，若過大，應(yīng)檢查原因并重新測量。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析參考五。五、數(shù)據(jù)處理及成果要求1.記錄有關(guān)信息及實(shí)驗(yàn)常數(shù)實(shí)驗(yàn)設(shè)備名稱：實(shí)驗(yàn)臺(tái)號(hào)：______________________實(shí)驗(yàn)者：________________________實(shí)驗(yàn)日期：________________________杠桿臂距離L0=10-2m扇形體垂直距離(扇形半徑)L=10-2扇形體寬b=10-2m矩形端面高a=10-22.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄（參表1）及計(jì)算結(jié)果（參表2）3.成果要求由表2結(jié)果可知，實(shí)驗(yàn)值與理論值比較，最大誤差不超過2%，驗(yàn)證了平面靜水總壓力計(jì)算理論的正確性。本實(shí)驗(yàn)欠缺之處是總壓力作用點(diǎn)的位置是由理論計(jì)算確定，而不是由實(shí)驗(yàn)測定的。若要求通過實(shí)驗(yàn)確定作用點(diǎn)的位置，則必須重新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)儀器及實(shí)驗(yàn)方案。設(shè)計(jì)方案如下：設(shè)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)儀器為儀器A，新設(shè)計(jì)儀器為儀器B。A、B兩套實(shí)驗(yàn)儀器除扇形半徑不同外，其余尺寸均完全相同。例如，儀器A的LA=0.25m，儀器B的LB=0.15m.。用A、B兩套實(shí)驗(yàn)儀器分別進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，每組對(duì)比實(shí)驗(yàn)的矩形平面作用水位相等，則矩形體的靜水總壓力F和合力作用點(diǎn)距底距離e對(duì)應(yīng)相等。此時(shí)再分別測定電子秤讀值mA，mB。由下列杠桿方程即可確定F和e或其中。值得注意的是，該實(shí)驗(yàn)對(duì)m的測量精度要求很高，否則e的誤差比較大。六、分析思考題1．試問作用在液面下平面圖形上絕對(duì)壓強(qiáng)的壓力中心和相對(duì)壓強(qiáng)的壓力中心哪個(gè)在液面下更深的地方？為什么？2．分析產(chǎn)生測量誤差的原因，指出在實(shí)驗(yàn)儀器的設(shè)計(jì)、制作和使用中哪些問題是最關(guān)鍵的。七、注意事項(xiàng)1.每次改變水位，均需微調(diào)螺絲7，使水準(zhǔn)泡居中后，方可測讀。2.實(shí)驗(yàn)過程中，電子秤和壓重體必須放置在對(duì)應(yīng)的固定位置上，以免影響掛重線的垂直度。表1測量記錄表格壓強(qiáng)分布形式實(shí)驗(yàn)序次水位讀數(shù)H/10-2水位讀數(shù)/10-2電子秤讀數(shù)