水力学习题答案

第一章 绪论1-1．20℃的水2.5m 3，当温度升至80℃时，其体积增加多少 [解] 温度变化前后质量守恒，即2211V V ρρ= 又20℃时，水的密度31/23.998m kg =ρ 80℃时，水的密度32/83.971m kg =ρ 321125679.2m V V ==∴ρρ 则增加的体积为3120679.0m V V V =-=∆1-2．当空气温度从0℃增加至20℃时，运动粘度ν增加15%，重度γ减少10%，问此时动力粘度μ增加多少（百分数） [解] 原原ρννρμ)1.01()15.01(-+==Θ原原原μρν035.1035.1==035.0035.1=-=-原原原原原μμμμμμΘ此时动力粘度μ增加了%1-3．有一矩形断面的宽渠道，其水流速度分布为μρ/)5.0(002.02y hy g u -=，式中ρ、μ分别为水的密度和动力粘度，h 为水深。

试求m h 5.0=时渠底（y =0）处的切应力。

[解] μρ/)(002.0y h g dydu-=Θ)(002.0y h g dydu-==∴ρμτ 当h =，y =0时)05.0(807.91000002.0-⨯⨯=τPa 807.9=1-4．一底面积为45×50cm 2，高为1cm 的木块，质量为5kg ，沿涂有润滑油的斜面向下作等速运动，木块运动速度u=1m/s ，油层厚1cm ，斜坡角 （见图示），求油的粘度。

[解] 木块重量沿斜坡分力F 与切力T 平衡时，等速下滑yu AT mg d d sin μθ== 001.0145.04.062.22sin 8.95sin ⨯⨯⨯⨯==δθμu A mg s Pa 1047.0⋅=μ1-5．已知液体中流速沿y 方向分布如图示三种情况，试根据牛顿内摩擦定律yud d μτ=，定性绘出切应力沿y 方向的分布图。

[解]1-6．为导线表面红绝缘，将导线从充满绝缘涂料的模具中拉过。

已知导线直径0.9mm ，长度20mm ，涂料的粘度μ=．s 。

若导线以速率50m/s 拉过模具，试求所需牵拉力。

（）yuuuuyuuyττ= 0yττy 0τττ=0y[解] 253310024.51020108.014.3m dl A ---⨯=⨯⨯⨯⨯==πΘN A h u F R 01.110024.51005.05002.053=⨯⨯⨯⨯==∴--μ1-7．两平行平板相距0.5mm ，其间充满流体，下板固定，上板在2Pa 的压强作用下以0.25m/s 匀速移动，求该流体的动力粘度。

[解] 根据牛顿内摩擦定律，得dydu /τμ= s Pa ⋅⨯=⨯=∴--33104105.025.0/2μ 1-8．一圆锥体绕其中心轴作等角速度16radsω=旋转。

锥体与固定壁面间的距离δ=1mm ，用0.1Pa s μ=⋅的润滑油充满间隙。

锥体半径R=0.3m ，高H=0.5m 。

求作用于圆锥体的阻力矩。

（·m ）[解] 取微元体如图所示微元面积：θππcos 22dhr dl r dA ⋅=⋅= 切应力：δωμμτ0-==r dy du 阻力：dA dT τ= 阻力矩：r dT dM ⋅=dA r rdT dM M ⎰⎰⎰===τdh r r H⎰⋅⋅=0cos 12θπτ )(cos 1203h tg r dh r H⋅=⋅⋅⋅=⎰θθπδωμ⎰⋅⋅⋅⋅=Hdh h tg 033cos 12θθπδωμNm H tg 6.392857.0106.05.0161.0cos 4233443=⨯⨯⨯⨯⨯⨯==-πθδπμω1-9．一封闭容器盛有水或油，在地球上静止时，其单位质量力为若干当封闭容器从空中自由下落时，其单位质量力又为若干 [解] 在地球上静止时：g f f f z y x -===；0自由下落时：00=+-===g g f f f z y x ；第二章 流体静力学2-1．一密闭盛水容器如图所示，U 形测压计液面高于容器内液面h=1.5m ，求容器液面的相对压强。

[解] gh p p a ρ+=0ΘkPa gh p p p a e 7.145.1807.910000=⨯⨯==-=∴ρ2-2．密闭水箱，压力表测得压强为4900Pa 。

压力表中心比A 点高0.5m ，A 点在液面下1.5m 。

求液面的绝对压强和相对压强。

[解] g p p A ρ5.0+=表Pa g p g p p A 49008.9100049005.10-=⨯-=-=-=ρρ表 Pa p p p a 9310098000490000=+-=+=' 2-3．多管水银测压计用来测水箱中的表面压强。

图中高程的单位为m 。

试求水面的绝对压强p abs 。

[解] )2.13.2()2.15.2()4.15.2()4.10.3(0-+=-+---+g p g g g p a 汞水汞水ρρρρg p g g g p a 汞水汞水ρρρρ1.13.11.16.10+=+-+kPa g g p p a 8.3628.9109.28.9106.132.2980009.22.2330=⨯⨯-⨯⨯⨯+=-+=水汞ρρ2-4． 水管A 、B 两点高差h 1=0.2m ，U 形压差计中水银液面高差h 2=0.2m 。

试求A 、B 两点的压强差。

（／m 2）[解] 221)(gh p h h g p B A 水银水ρρ+=++ΘPa h h g gh p p B A 22736)2.02.0(8.9102.08.9106.13)(33212=+⨯⨯-⨯⨯⨯=+-=-∴水水银ρρ2-5．水车的水箱长3m,高1.8m ，盛水深1.2m ，以等加速度向前平驶，为使水不溢出，加速度a 的允许值是多少[解] 坐标原点取在液面中心，则自由液面方程为：xgaz-=当mlx5.12-=-=时，mz6.02.18.1=-=，此时水不溢出20/92.35.16.08.9smxgza=-⨯-=-=∴2-6．矩形平板闸门AB一侧挡水。

已知长l=2m，宽b=1m，形心点水深h c=2m，倾角α=45o，闸门上缘A处设有转轴，忽略闸门自重及门轴摩擦力。

试求开启闸门所需拉力。

[解] 作用在闸门上的总压力：NAghApPcc392001228.91000=⨯⨯⨯⨯=⋅==ρ作用点位置：mAyJyycccD946.21245sin22112145sin23=⨯⨯⨯⨯+=+=οοmlhy cA828.12245sin22sin=-=-=οΘα)(45cosADyyPlT-=⨯∴οkNlyyPT AD99.3045cos2)828.1946.2(3920045cos)(=⨯-⨯=-=οο2-7．图示绕铰链O转动的倾角α=60°的自动开启式矩形闸门，当闸门左侧水深h1=2m，右侧水深h2=0.4m 时，闸门自动开启，试求铰链至水闸下端的距离x。

[解] 左侧水作用于闸门的压力：b h h gA gh F c p ⋅⨯==ο60sin 211111ρρ 右侧水作用于闸门的压力：b h h g A gh Fc p ⋅⨯==ο60sin 222222ρρ )60sin 31()60sin 31(2211οοh x F h x F p p -=-∴ )60sin 31(60sin 2)60sin 31(60sin 2222111οοοοh x b h h g h x b h h g -⋅=-⋅⇒ρρ)60sin 31()60sin 31(222121οοh x h h x h -=-⇒ )60sin 4.031(4.0)60sin 231(222οο-⨯=-⨯⇒x xm x 795.0=∴2-8．一扇形闸门如图所示，宽度b=1.0m ，圆心角α=45°，闸门挡水深h=3m ，试求水对闸门的作用力及方向[解] 水平分力：kN b h h g A gh F x c px 145.4432.381.910002=⨯⨯⨯=⋅⨯==ρρ压力体体积：322221629.1)45sin 3(8]321)345sin 3(3[)45sin (8]21)45sin ([m h h h h h V =-⨯+-⨯=-+-=οοοοππ 铅垂分力：kN gV F pz 41.111629.181.91000=⨯⨯==ρ合力：kN F F F pz px p 595.4541.11145.442222=+=+=方向：ο5.14145.4441.11arctanarctan===pxpz F F θ2-9．如图所示容器，上层为空气，中层为3m N 8170=石油ρ的石油，下层为3m N 12550=甘油ρ的甘油，试求：当测压管中的甘油表面高程为9.14m 时压力表的读数。

[解] 设甘油密度为1ρ，石油密度为2ρ，做等压面1--1，则有)66.362.7()66.314.9(211∇-∇+=∇-∇=g p g p G ρρ g p g G 2196.348.5ρρ+= g g p G 2196.348.5ρρ-=96.317.848.525.12⨯-⨯=2kN/m 78.34=2-10．某处设置安全闸门如图所示，闸门宽b=0.6m ，高h 1= 1m ，铰接装置于距离底h 2= 0.4m ，闸门可绕A 点转动，求闸门自动打开的水深h 为多少米。

[解] 当2h h h D -<时，闸门自动开启612121)2(121)2(11311-+-=-+-=+=h h bh h h bh h h A h J h h c C c D 将D h 代入上述不等式4.0612121-<-+-h h h1.06121<-h得 ()m 34>h2-11．有一盛水的开口容器以的加速度3.6m/s 2沿与水平面成30o夹角的斜面向上运动，试求容器中水面的倾角。

[解] 由液体平衡微分方程)d d d (d z f y f x f p z y x ++=ρGBA空 气 石 油甘 油7.623.661.529.14m11hh h A12030cos a f x -=，0=y f ，)30sin (0a g f z +-=在液面上为大气压，0d =p0d )30sin (d 30cos 00=+--z a g x a269.030sin 30cos tan d d 00=+==-a g a x z α 015=∴α2-12．如图所示盛水U 形管，静止时，两支管水面距离管口均为h ，当U 形管绕OZ 轴以等角速度ω旋转时，求保持液体不溢出管口的最大角速度ωmax 。

[解] 由液体质量守恒知， 管液体上升高度与 管液体下降高度应相等，且两者液面同在一等压面上，满足等压面方程：C z gr =-222ω液体不溢出，要求h z z 2II I ≤-， 以b r a r ==21,分别代入等压面方程得：222b a gh-≤ω22max 2b a gh-=∴ω2-13．如图，060=α，上部油深h 1＝1.0m ，下部水深h 2＝2.0m ，油的重度γ=m 3，求：平板ab 单位宽度上的流体静压力及其作用点。