第2章 水静力学
第二章水静力学(环境)
h
H
H
L
L
h H H
h
P
H H
P
L
L/3
h
h
H
H
e
L
H
h
h H
h
H
( H h)
请画出上图正确的静水压强分布图
画出以上三个容器左侧壁面上的压强分布图
A h H
B
R
平衡方程为
p X 0 x
或
1 p X 0 x
1 p Y 0 y
1 p Z 0 z
同理有
和 其中 X, Y, Z 是质量力 f 的三个分量。
•
平衡微 分方程的 矢量形式
1 p X 0 x 1 p Y 0 y 1 p Z 0 z
z py
dz
px pn
n
dx dy pz
o
y
pn p x p y p z
x
此时，pn，px，py，pz已是同一点（M点）在不同方位作用面上 的静压强，其中斜面的方位 n 又是任取的，这就证明了静水压 强的大小与作用面的方位无关。
静止液体中一点的应力
p p( x, y, z )
在这个表达式中，已 包含了应力四要素： 作用点、作用面、受 力侧和作用方向。
p
pA / zA
，所以
pB /
叫测压管水头。
zB
O O
• 敞口容器和封口容器接上测压管后的情况如图
•4. 静水压强的方程式的物理意义
z 位置势能，（从
基准面 z = 0 算起铅 垂向上为正。 ）
p
压强势能（从
大气压强算起）
z
p
水力学 水静力学 水静力学
压力中心位置：
0.6
Ph D dP h
1 h 2 [0.5 2 (0.6 h) cot 600 ]dh 0.37m P 0
1 hD dP h P0
h
受压面为梯形，是对称图形，所以其压力中心位于对称轴上。
§2.5 平面上静水总压力计算 2.5.1 图解法（矩形平面）
PyD ydP gyy sin dA
A
g sin y 2 dA g sin I x
A
yD
g sin I x
P
g sin I x I x g sin yc A yc A
2 （惯性矩平行移轴定理 ） I x I C Ayc
yD
2 I xC Ayc I yc C yc A yc A
dx 1 p pM p x , y, z p dx 2 2 x dx 1 p pN p x , y, z p dx 2 2 x
质量力在x轴的分量为：
fx dx dy dz
X方向的平衡方程：
1 p 1 p dx dydz p dx dydz f x dxdydz 0 p 2 x 2 x
2.3
重力场中流体静压强的分布规律
液体中任一点的压强为：
dp ( f x dx f y dy f z dz )
质量力只有重力：fx＝ fy ＝0， fz ＝－g，可得：
dp gdz
p c z c 积分可得： p gz g g p C 也可变形为 z g
微小面元dA上水压力
dP pdA ghdA
作用在平面上的总水压力 是平行分布力的合力
第二章 水静力学
第二章 水静力学水静力学（Hydrostatics ）是研究液体处于静止状态时的力学规律及其在实际工程中的应用。
“静止”是一个相对的概念。
这里所谓“静止状态”是指液体质点之间不存在相对运动，而处于相对静止或相对平衡状态的液体，作用在每个液体质点上的全部外力之和等于零。
绪论中曾指出，液体质点之间没有相对运动时，液体的粘滞性便不起作用，故静止液体质点间无切应力；又由于液体几乎不能承受拉应力，所以，静止液体质点间以及质点与固壁间的相互作用是通过压应力（称静水压强）形式呈现出来。
水静力学的主要任务是根据力的平衡条件导出静止液体中的压强分布规律，并根据其分布规律，进而确定各种情况下的静水总压力。
因此，水静力学是解决工程中水力荷载问题的基础，同时也是学习水动力学的基础。
§2-1 静水压强及其特性1．静水压强的定义 在静止的液体中，围绕某点取一微小作用面，设其面积为ΔA ，作用在该面积上的压力为ΔP ，则当ΔA 无限缩小到一点时，平均压强A P ∆∆/便趋近于某一极限值，此极限值便定义为该点的静水压强(Hydrostatic Pressure)，通常用符号p 表示，即dA dP A P p A =∆∆=→∆0lim (2-1) 静水压强的单位为2/m N (Pa(帕))，量纲为[][]21--=T ML p 。
2．静水压强的特性静水压强具有两个重要的特性：(1)静水压强方向与作用面的内法线方向重合。
在静止的液体中取出一团液体，用任意平面将其切割成两部分，则切割面上的作用力就是液体之间的相互作用力。
现取下半部分为隔离体，如图2-1所示。
假如切割面上某一点M 处的静水压强p 的方向不是内法线方向而是任意方向，则p 可以分解为切应力τ和法向应力p n 。
从绪论中知道，静止的液体不能承受剪切力也不可能承受拉力，否则将平衡破坏，与静止液体的前提不符。
所以，静水压强唯一可能的方向就是和作用面的内法线方向一致。
(2)静水压强的大小与其作用面的方位无关，亦即任何一点处各方向上的静水压强大小相等。
第二章水静力学
n
= p • D Ax
p =
n n
•
1 2
Dy
•
Dz
代入第一式
F F F px pncos(n, x) x =0 则：
1 2
Dy
Dz
px
1 2
Dy
Dz
pn
1 6
Dx Dy
Dz
fx
=
0
整理后,有
px
pn
1 Dx
3
fx
=
0
当四面体无限缩小到A点时，Dx
p x
=
p n
同理，我们可以推出：
0 因此：
△h
G
z1
2p 2
z2
0
h
G
p
0
（a）
（b）
圆柱上表面的静水压力 F1 = p1DA
圆柱下表面的静水压力 F2 = p2DA
小水柱体的重力
G = gDADh
力的平衡方程 p2DA p1DA gDADh = 0
p 0 ▽
h1 h2
△h
p
11
G
z1
2p 2
z2
0
（a）
p 0 ▽
h
G
p
0 （b）
单位重量的液体在某点所具有的位置势能（单位位
能）：
z1
=
mgz1 mg
z 的能量意义是单位重量液体所具有的位置势能，
称为单位位能。
pa
p1 g
h12
1
z1
pa
p2 g
z2
0
0
Z Fpy
D Fpn Fpx
z
A y CBOFpzYX
相应面上的总压力为
第二部分 水静力学
§2—2 液体平衡的微 分方程及其积分
1．液体平衡的微分方程
设正交六面体中心 点处的静水压强为p，是 坐标的连续函数，即 p=p(x,y,z)，用泰勒级数 展开得M和N点的压强为
pM
p 1 p dx 2 x
pN
p
1 p dx 2 x
ABCD面上的力（p 1 p dx)dydz 2 x
dp=ρ(Xdz+Ydy+Zdz)
积分：p= —ρ（a x +g z）+ C
由边界条件x = z = 0 ,p = p0 C = P0对任一点B（x ，y ）
p p0 (ax gz)
p0
(a g
x
z)
p0
a g
x z
p0 (z z ) p0 h
pc p0 h2 p0 h1 (h2 h1) pA h
p p0 h
水静力学基本方程常用表达式 说明：
(1) 静水压强随深度按线性规律增加。
(2) 液体内任一点的静水压强由两部分组成， 一部分是自由液面上的表面压强po； 另一部分是单位面积上的垂直液柱重量γh 。
§2-3重力作用下静水压强的分布规律
思考： 点A质量为M的液体： 静止时有重力Mg，方向？与Z轴方向？？在X、Y轴方向的投影为？ 则：单位质量力为Mg / M = g ，方向？？
任一点的单位质量力均为g，方向？？
1 ．水静力学基本方程
dp=ρ(Xdz+Ydy+Zdz)
液体平衡微分方程综合式
X 0, Y 0, Z g
思考： 平面上各点的静水压力方向？？ 曲面上各点的静水压力方向？？
2第二章 水静力学
A
p0 h z z0
式中，h=z0-z 表示该点在自由面以下的液柱高度。 上式即计算静水压强的基本公式。它表明，静止液体内任 意点的静水压强由两部分组成：一部分是自由面上的气体 压强p0（当自由面与大气相通时， p0=pa ，为当地大气压 强），另一部分是γh ，相当于单位面积上高度为 h 的水柱 重量。
∆P dP = ∆A→0 ∆A dA lim
静水压力的单位为N或kN； 静水压强的单位为Pa或kPa 。
• 二、静水压强的特性
静水压强有两个重要的特性： 1．静水压强的方向与受压面垂直并指向受压面（垂直指向性）
在平衡液体中静水压强的方向与作用面垂直并指向作用面， 即静水压力只能是垂直的压力。
2．静水压强各向同性（各向等值性）：任一点静水压强的大 小和受压面方向无关，或者说作用于同一点上个方向的静水压 强大小相等。
dp = ρ(−adx − gdz) 积分得 p = ρ(−ax − gz) + C
当x=z=0时，p=p0，故C=p0，从而 a p = ρ(−ax − gz) + C 或 p = p0 + γ (− x − z)
g
令p0=98kPa，x=-1.5m，z=-1.0m，代入上式，得Ａ点压强为
p A = 98 + 9.8[− 0.98 (−1.5) − (−1.0)] = 109.27kPa 9.8
例题分析
一洒水车，以0.98m/s2的等加速度向前行驶，设以水面中心点为 原点，建立xOz坐标系，试求自由表面与水平面的夹角θ；又自 由表面压强p0=98kPa，车壁某点A的坐标为x=-1.5m，z=-1.0m， 求A点的压强。
例题分析
第2章 水静力学
2)压强的其它单位： P工程= Kgf/cm2 =at ; meterH2O;mmHg.
压强的表示方式
1）以应力单位表示:压强用单位面积上受力的大小， 即应力单位表示，为：N / m 2 或Pa，kPa，可记为 kN / m2 2）以大气压表示:工程中：1工程大气压＝98kPa 3）水柱高表示:由于水的容重为常量，水柱高h 的数值反映了压强的大小。 p
命题：推导液体中微小六面体所受力的平衡微
分方程?
1)设正交六面体中心点O’(x,y,z)静水压强为p, 各边 长为dx,dy,dz； 2)分析六面体上的表面力—静压力:由连续性假设和 泰勒级数展开式，可得X方向上M和N点的压强：
1 p pM p dx 2 x 1 p pN p dx 2 x
(h
)
三者关系： 1 P工程=1.0Kgf/cm2=10mH2O=98KPa 1 P标准 = 101.3KPa =760mmHg=10.336mH2O
第2章 水静力学
§2-1 静水压强及其基本特性
二 静水压强基本特性
1.静水压强的方向与受压
面垂直并指向受压面。
A
2 静水压强的大小与受压面方位 无关。也即，作用于同一点各方 向的静水压强大小相等。
5) 同理，可推导出Y,Z方向的平衡方程；=>液 体平衡的微分方程(2-4).
2. 液体平衡微分方程的积分
从液体平衡微分方程(2-4)出发，积分求方程解： 将式（2-4）依次乘以任意的dx、dy、dz并将它们相加得
p p p dx dy dz ( Xdx Ydy Zdz ) x y z
第二章
水静力学
§2-1 静水压强及其特性 §2-2 液体平衡微分方程及其积分 §2-3 重力作用下静水压强的分布规律 §2-4 几种质量力作用下液体的相对平衡 §2-5 作用于平面上的静水总压力 §2-6 作用于曲面上的静水总压力 §2-7 浮力及物体的沉浮
[理学]2第二章水静力学
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等压面具有两个重要性质： 1. 在平衡液体中等压面既是等势面。 2. 等压面与质量力正交。即作用于静止液体上任一点的质 量力必须垂直于通过该点的等压面。
注意：
1. 如果液体处于静止状态，即作用于液体上的质量力只有重 力，则就一个局部范围而言，等压面必定是一个水平面；就 一个大范围而论，等压面应是处处和地心引力成正交的曲面。
dp (adx gdz ) 积分得 p (ax gz) C
当x=z=0时，p=p0，故C=p0，从而 a p p ( x z) p (ax gz) C 或 0
g
令p0=98kPa，x=-1.5m，z=-1.0m，代入上式，得Ａ点压强为
p p( x, y, z )
第二节 液体平衡微分方程
• 一、液体平衡微分方程
液体平衡微分方程式，是表征液体处于平衡状态时作用 于液体各种力之间的关系式。 设想在平衡液体中分 割出一块微分平行六 面体abcdefgh，其边长 分别为dx，dy ，dz ， 形心点在A（x ， y ， z），该六面体应在所 有表面力和质量力的 作用下处于平衡。
2. 若平衡液体具有与大气相接触的自由表面，则自由表面 为等压面，因为自由表面上各点的压强都等于大气压强。 3. 不同流体的交界面也是等压面。 此外，应用等压面概念时，必须注意等压面以下的液体是相 连通的同种液体。
实际应用：
对于相连通的同一种连续介质，淹没深度相同的各点静水压强 相等，故水平面即是等压面。但必须注意，这一结论只适用于 质量力只有重力的同一种连续介质。对于不连续的液体（如液 体被阀门隔开），或者一个水平面穿过了两种不同介质，则位 于同一水平面上的各点，压强并不相等，即水平面不一定是等 压面。
均质液体中 为常数，以 代替g ，积 p 分得: z C 式中的积分常数 C 由边界条件确定，在自 由面上 z=z0，p=p0。代入上式，即可得出 静止液体中任意点的静水压强计算公式: p p0 ( z 0 z) 或 p p0 h
二章水静力学ppt课件
P0
hA
即为测压管高度。
这种测量压强的管子叫测压管。
h
在容器内有 pA = p0 h
A
在右管中有 pA = pa hA
ZA
因此 p0 h = pa hA
hA
=
pA
pa
=
p
所以：测压管高度hA表示A点的的相对压强（计算压强）
第二章 水静力学
若 P0<Pa
则：位于测压管中的水位高
度将低于容器内液面高度。
1、方法
由 pabs = p0 h压强与水深成线性关系。
因而，在任一平面的作用面上，其压强分布为一
直线。只要算出作用面最上和最下两个点的压强后
，即可定出整个压强的分布线。
2、原则 ⑴、每一点处的压强垂直于该点处的作用面。 ⑵、静水压强的大小随着距自由面的深度而增加
另外：对实际工程有用的是相对压强的图示。如欲
• Dy
•
p z
Pn
=
Ds
•
p n
Z D Pn Px A Py C
O B Pz X
Y
第二章 水静力学
四面体的体积D V为
Z D Pn Px A Py
D
V=
1
6
Dx
•
Dy
•Dz
C
O B Pz X
Y
总质量力在三个坐标方向的投影为
Fx
=1 6
•
Dx • Dy
• Dz X
Fy
=
1 6
•
Dx • Dy
• Dz Y
z ω
oA x
x
A
•
2x
y 2 y 2r
第二章 水静力学
[理学]2第二章水静力学
2. 若平衡液体具有与大气相接触的自由表面，则自由表面 为等压面，因为自由表面上各点的压强都等于大气压强。 3. 不同流体的交界面也是等压面。 此外，应用等压面概念时，必须注意等压面以下的液体是相 连通的同种液体。
实际应用：
对于相连通的同一种连续介质，淹没深度相同的各点静水压强 相等，故水平面即是等压面。但必须注意，这一结论只适用于 质量力只有重力的同一种连续介质。对于不连续的液体（如液 体被阀门隔开），或者一个水平面穿过了两种不同介质，则位 于同一水平面上的各点，压强并不相等，即水平面不一定是等 压面。
• 1. 表面力
作用于六面体的表面力，为周围液体对六面体各表面上 所作用的静水压力。 垂直于 x 轴的左右两 个平面中心点上的静 水压强分别为：
p 1 p 1 p dx 和 p dx 2 x 2 x
则静水压力分别为：
1 p p dx dydz 和 2 x 1 p dx dydz p 2 x
p A 98 9.8[ 0.98 (1.5) (1.0)] 109 .27 kPa 9.8
a x z )中的p=p0，得自由表面方程为ax+gz=0 g
再令
p p 0 (
从而它与水平面的夹角为 a 0.98 q arctg arctg 543 g 9.8
章节设置
• • • • • 第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 静水压强 液体平衡微分方程 重力作用下的静力学基本方程 作用在平面壁上的静水总压力 作用在曲面壁上的静水总压力
学习要点
• 1、静水压强的两个重要的特性和等压面的性 质。 • 2、静水压强基本公式和物理意义，静水压强 计算。 • 3、静水压强的单位和三种表示方法： 绝对压强、相对压强和真空度；理解位置 水头、压强水头和测压管水头的物理意义和几 何意义。
第2章水静力学
第二章 水静力学
例题图示
第二章 水静力学
二、静水压强分布图
根据静水力学基本方程及静水压 强的两个特性，可用带箭头的直线表 示压强的方向，用直线的长度表示压 强的大小，将作用面上的静水压强分 布规律形象而直观地画出来。
w
FP pc w
w w
依力矩定理， P yD y dP y gy sin dw g sin y 2 dw
2 2 I I y y dw 其中 为平面对Ob轴的面积惯性矩，记为 x c c w
整理可得静水总压力的压心位置： yD yc
dP ghdw gy sin dw
P dP gy sin dw
w w
P dP
O （b） α h C dw M（x,y） C D YC
hc
D
g sin ydw
w
y
x
其中 为平面对Ox轴的面积矩 P g sin yc w ghc w 所以静水总压力的大小为
1 0.1 12h 6
得
4 h m 3
第二章 水静力学
【例题】一垂直放置的圆形平板闸
门如图所示，已知闸门半径R=1m， 形心在水下的淹没深度hc=8m，试用 解析法计算作用于闸门上的静水总压 力。 解：
R4pc w ghc R2 9.8 8 12 246kN
水静力学的主要内容
§2-1 静水压强 §2-2 静水压强的分布规律 §2-3 作用在平面上的静水总压力 §2-4 作用在曲面上的静水总压力
水力学第2章 水静力学
pA gL sin
当被测点压强很大时：所需测压管很长，这时可以 改用U形水银测压计。
2.6.2 U形水银测压计
在U形管内，水银面N-N为等压面，因而1点和2点压强相等。
对测压计右支 p2 pa m gh
对测压计左支
p1
p' A
gb
A点的绝对压强
p
A
pa
m gh
gb
A点的相对压强
量力只有重力的同一种连续介质。对不连续液体或一
个水平面穿过了两种不同介质，位于同一水平面上的
各点压强并不相等。
2－5 绝对压强与相对压强
2.5.1 绝对压强
假设没有大气存在的绝对真空状态作为零点计量的压强， 称为绝对压强。总是正的。
2.5.2 相对压强 把当地大气压作为零点计量的压强，称为相对压强。相
p
' A
p0
gh1
25
9.8 5
74 k Pa
pB' p0 gh2 25 9.8 2 44.6kPa
故A点静水压强比B点大。 实际上本题不必计算也可得出此结论（因淹没深度大的点， 其压强必大）。
例:如图，有一底部水平侧壁倾斜之油槽，侧壁角为300，被
油淹没部分壁长L为6m，自由面上的压强 pa =98kPa，油的密
面积所受的平均静水压力为：
p Fp
(1.1)
A
点的静水压强
p lim Fp A0 A
(1.2)
静水压力 Fp 的单位：牛顿（N）； 静水压强 p 的单位：牛顿／米2（N／m2），
又称为“帕斯卡”（Pa）
2.1.2 静水压强的特性 静水压强的两个重要特性：
1．静水压强的方向与垂直并指向受压面。
水力学吴持恭第四版课件2 水静力学学习资料
公式 p = DP 平均压强
DA
p = lim DP DA 0 DA
单位：N/m2 （Pa）
点压强
二、静水压强的特性
第一特性：静水压强垂直于作用面，并指 向作用面。
第二章 水静力学
证明：取一处于静止或相对平衡的某一液体
P Ⅰ
N
AB
Ⅱ τ
N P
Pn
静水压强的方向与作用面的内法线方向重合， 静水压强是一种 压应力
=
p y
=
p z
=
p n
上式表明任一点的静水压强 p是
各向等值的，与作用面的方位无
关。第二特性得到证明
Z D Pn Px A Py C
O B Pz X
Y
第二章 水静力学
§2-2 液体的平衡微分方程及 其积分
液体处于平衡状态时，作用于液体上 的各种力及其坐标间的微分关系
第二章 水静力学 Z
A(x,y,z)
量（1
p
x
1
p y
1
p
z
）是对应相等的。
又称欧拉平衡微分方程
第二章 水静力学
将X
1
p x
=
0
Y
1
p y
=
0
Z 1
p z
=
0
依次乘以dx,dy,dz后相加得：
1
(
p x
dx
p y
dy
p z
dz)
=
Xdx
Ydy
Zdz
因为 ( p dx p dy p dz) 是P(x,y,z)的全微分 x y z
( p 1 p dx)dydz 2 x
( p 1 p dx)dydz 2 x
经典：流体力学-第二章-水静力学
压力体可分为实压力体和虚压力体
实压力体判定方法： 绘出的压力体图形与实际的水体居于受压曲面同侧（重叠），
为实压力体。方向向下。
虚压力体判定方法： 绘出的压力体图形与实际的水体分居受压曲面两侧（不重叠），
为虚压力体。方向向上。
对于复式断面，先根据压力体的三个面围出压力体，再根据上述原 则判定虚、实。
第二章流体静力学25作用在平面上的静水总压力一用解析法求任意平面上的静水总压力二用压力图法求矩形平面上的静水总压力26作用在曲面上的静水总压力一曲面上静水压力二压力体27浮力与浮潜体的稳定一浮力二潜体的平衡与稳定性三浮体的平衡及稳定性第四讲25作用在平面上的静水总压力工程实践中需要解决作用在结构物表面上的液体静压力的问题
2.合力P对Ox轴取力矩
总压力P对Ox轴的力矩为： P y D g sa ix n y S D g sa i c A n y y D
3.据力矩定理
得：
yD
Ix Sx
Ix yc A
6
yD
Ix Sx
Ix yc A
上式表明：平面上静水总压力作用点D的纵坐标yD等于受压面面积A对Ox 轴的惯性矩与静矩之比。
其中
为图形对形心轴
的静矩，其值应等于零，则得
IyIyca2A
结论：同一平面内对所有相互平行的坐标轴的惯性矩，对形心轴的最小 。 在使用惯性矩移轴公式时应注意a ，b的正负号。
8
故对于本问题有： Ix Ay 2 d A A (y c a )2 d A Ay c 2 d A 2 y cA a d A a A 2 d A Ix Ic y c2 A
2.液体总压力Ｐ的铅直分力Pz：
B' F' E'A'
第2章水静力学
例2：若当地大气压强相当于700mm汞柱高，试将绝对压强 pabs=19.6×104N/m2用其不同的单位表示。 解: (1)对于绝对压强 ①用水柱高度表示
h水 10m 4 9.8 10 Pa 19.6 104 Pa
10 19.6 104 h水 = =20m 4 9.8 10
p2/γ z2
p1/γ
z1
1 2
2、静水压强分布图
定义：用带有箭头的直线表示压强的方向，用直线
长度表示压强的大小，将作用面上的静水压强分布
规律形象直观地画出来，此几何图形就是静水压强
分布图。 绘制的规则：
（1）按一定比例，用线段长度代表该点静水压强的大小。
（2）用箭头表示静水压强的方向，并与作用面垂直。 方法： 只要绘出两端点的压强，即可确定静水压强的直线分布。
形式1：
p p0 gh
形式2：
z
p C g
z
水静力学基本方程的物理意义
z p
pa
C
p0
p/γ
Δm Δmgz Δmgz z Δmg
z
Δm
z0
单位液重所具有的位能
z
水静力学基本方程的物理意义
z p
pa
C
p0
p/γ
Δm Δmg Δmg p
p
z
Δm
z0
Δmg
p
单位液重所具有的压能
计量的压强，用pabs表示,工程大气压98KPa 用p表示。
相对压强 ——以当地大气压作为零点计量的压强，
若将当地大气压强用pa表示，则有
p pabs pa
水力学(2)水静力学
金溪
水力学
2.1 静水压强及其特性
第 二 章 水 静 力 学
一、定义 水静力学：研究液体处于静止状态下的平衡规律和液体与 固体边界间的作用力及其在工程中的应用。 二、核心问题 所谓静止包含两种情况：绝对静止、相对静止。 绝对静止：液体与地球之间没有相对运动，液体内部质点之 间没有相对运动。 相对静止：液体与地球之间存在相对运动，液体与容器之间 没有相对运动，液体质点之间不存在相对运动。
绝对静止 V=0,a=0 相对静止 V ≠ 0,a恒定且不为0 相对静止 V ≠ 0,a =0
2.1 静水压强及其特性
第 二 章 水 静 力 学
三、本章基本内容 水静力学的核心问题是根据平衡条件来求 得静水压强在空间的分布规律，进而确定 静水压力的方向、大小和作用点。
平衡条件：受力的平衡 压强分布规律：水静力学基本方程 压力的求解：方向、大小、作用点
sin J x sin yc A
Jx yc A
Jx= JC＋yC2A，
★ yD＞ yC ，即D点一般 在C点的下面。
Jc yc yc A
2.6 作用在平面壁上的静水总压力
第 二 章 水 静 力 学
2.6 作用在平面壁上的静水总压力
例2-4
第 二 章 水 静 力 学
同一静止液体中，不论哪一点 z+p/r总是常数。（能量守恒）
2.2 重力作用下静水压强的分布规律
2.2.2 静水压强基本方程的另一种形式及意义
第 二 章 一、几何意义和水力学意义 1. z —位置水头（计算点位置高度） 2. p/r —压强水头（压强高度或测压管高度） 3. z+p/r —测压管水头 4. z＋p/r＝C—静止液体中各点 位置高度与压强高度之和不变
水静力学
式(2-3)是重力作用下流体平衡方程的又一重要形式。由 它可得到三个重要结论：
(1)在重力作用下的静止水体中，静压强随深度按线 性规律变化，即随深度的增加，静压强值成正比增大。 (2)在静止液体中，任意一点的静压强由两部分组成： 一部分是自由液面上的压强p0；另一部分是该点到自由液 面的单位面积上的液柱重量ρgh。 (3)在静止液体中，位于同一深度(h＝常数)的各点的 静压强相等，即任一水平面都是等压面。
流体静力学着重研究流体在外力作用下处于 平衡状态的规律及其在工程实际中的应用。 这里所指的静止包括绝对静止和相对静止两 种。以地球作为惯性参考坐标系，当流体相对于 惯性坐标系静止时，称流体处于绝对静止状态； 当流体相对于非惯性参考坐标系静止时，称流体 处于相对静止状态。 流体处于静止或相对静止状态，两者都表现 不出黏性作用，即切向应力都等于零。所以，流 体静力学中所得的结论，无论对实际流体还是理 想流体都是适用的。
pj pc 100% H 100% 1 pa pa
(2-8)
式中H通常称为真空度。 为了正确区别和理解绝对压强、相对（计示）压 强和真空之间的关系，可用图2-8来说明。 当地大气压强是某地气压表上测得的压强值，它 随着气象条件的变化而变化，所以当地大气压强 线是变动的。
第一节
流体பைடு நூலகம்压强及其特性
静止液体作用在每单位受压面积上的压力称为静 水压强，单位为（N/ m2），也称为帕斯卡（Pa）。
流体静压强有两个基本特性。
（1）流体静压强的方向与作用面垂直，并指向作用面。 这一特性可由反证法给予证明：
假设在静止流体中，流体静压强方向不与作用面相垂直， 而与作用面的切线方向成α角，如图2-1所示。
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第二章 水静力学目的要求：掌握静水压强的有关概念；作用在平面、曲面上静水总压力的计算方法。
难点：压力体的绘制 全部内容均为重点水静力学研究液体平衡时的规律及其实际应用，静止时0=τ，只有p 存在。
§2-1 静水压强及其特性 一、定义P ∆—面积ω∆上的静水压力 （N ）平均静水压强ω∆∆=Ppa 点的静水压强)(/lim 20a P m N d dpP p ωωω=∆∆=→∆二、静水压强的特性1、第一特性：静水压强的方向垂直指向被作用面。
2、第二特性：作用于同一点上各方向的静水压强大小相等。
yzp⊿⊿⊿zxxpp ynpxzynACBnzyxpppp,,,，则⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧∆∆∆∆∆∆∆spyxpzxpzypnzyx212121⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧∆∆∆∆∆∆∆∆∆zyxZzyxYzyxX616161ρρρ沿x方向力的平衡方程：61),cos(21=∆∆∆+∆-∆∆zyxXxnspzypnxρ612121=∆∆∆+∆∆-∆∆zyxXzypzypnxρ1=∆+-xXppρ取微分四面体无限缩至o 点的极限表面力质量力C pz C z p dz gdz dp =+→'+-=→-=-=γγγρ或 γγ2211p z p z +=+——重力作用下水静力学的基本方程。
对于液面点与液体内任意点h p p pz p h z γγγ+=→+=++00——水静力学基本方程的常用表达式说明：（1）当 2121z z p p >< ，位置较低点压强恒大于位置较高点压强。
液面压强0p 由γh 产生的压强（3） p 随h 作线性增大。
（4）常用a a p h p p ,γ+=为大气压强， 取p a =1个工程大气压=98kN/m 2。
（5）h p p ∆+=γ12二、等压面1、定义：在同一种连续的静止液体中压强相等的点组成的面2、等压面方程：0=dp 0=++Zdz Ydy Xdx3、特性：（1）平衡液体中等压面即是等势面。
C W dW dp =→==0ρ （2）等压面与质量力正交证明：作用在等压面上的单位质量力k Z j Y i X f++=沿微小位移k dz j dy i dx s d ++=移动所做功0=++=•Zdz Ydy Xdx s d f ，即f 与s d垂直。
只有重力作用的静止液体，就局部范围而言，等压面必是水平面。
4、举例（2）任一点压强由两部分组成相互独立331122油水z h P z γ=P/h γA BA A 0AB B B=P/三、绝对压强、相对压强、真空值1、绝对压强：以设想没有大气存在的绝对真空状态作为零点计量的压强p '。
2、相对压强：以当地大气压强作为零点计量的压强p （可 正可负）。
二者关系：相差一个当地大气压p a ，p ' =p +p a 或p =p '-p a 如图：若0p 为相对压强，a A A p rh p p rh p p ++=+=10/1若p 0为绝对压强，a A Ap h p p h p p -+=+=1010/γγ若开口（不封闭）1/1h p p h p a A A γγ+==以后无特殊说明，指相对压强。
3、真空值：当液体中某一点的绝对压强小于当地大气压强时，则称该点存在真空。
真空值p p p p a v ='-=（该点绝对压强小于当地大气压强的数值） 四、静水压强分布图根据静水压强的两个特性绘制压强随水深变化的几何图形， 称为静水压强分布图。
一般要求绘制相对压强分布图。
1、公式 h p hp p γγ=+=02、原则：（1）按比例用线段长度表示某点静水压强的大小。
（2）用箭头表示静水压强的方向（垂直指向被作用面） （3）直线方程，两点可连线。
3、举例：五、测压管高度、测压管水头、真空度γhBhAA1h P 0γ23γγ321h 1h 5410P 21、测压管高度A A h p γ= γAA p h =——测压管高度γAA p z +——测压管水头（z A 为位置高度）γγBB AA p z p z +=+=常数压强表示方法：1个工程大气压=98kN/m 2=10m 水柱=736mm 水银柱 2、真空度：真空值的液柱高表示γγp p p h a vv '-==当0='p 时称完全真空，此时m h v 10=，为理论上的最大真空度，实际不存在。
容器中A 点的压强时，可在与A 点相同高度的器壁上开一小孔，并安装一根上端开口的玻璃管。
根据管内液面上升的高度h ，就可测出A 点的绝对压强或相对压强。
由静水压强基本方程可得h p p Aabs γ+=0 或 h p A γ=测得A 点压强后，再通过基本方程就可求得容器中任一点的静水压强。
为保证量测精度，测压管内径d 不宜太小，一般取d>10mm ，这样可消除毛细现象影响。
测压管的缺点是不能量测较大压强。
当压强超过0.2at(工程大气压)时，则需要长度2m 以上的测压管，使用很不方便。
所以量测较大压强时，一般采用U 形水银测压计。
二、水银测压计水银测压计的构造也很简单，是将装有水银的U 形管安装在需要量测压强的器壁上，管子一端与大气相通，如图2-3-2所示。
根据等压面条件，n —n 为等压面，则1、2两点压强相等，即12p p =。
从图中还可看出，1、2两点的相对压强分别为所以或在测压计上量得m h 和z 值，即可求得A 点压强，并可推算其他各点压强。
三、水银差压计用水银差压计可测出液体中两点的压强差。
图2-3-3所示水银差压计，U 形管内装有水银，使用时将U 形管两端分别与欲测点相接，待水银柱面稳定后即可施测。
其关系推导如下。
由图知根据等压面原理，12p p =。
于是得A 、B 两点压差为若预测两点位于同一高程上，则A B z z =，式(2-3-2)有如下形式，即四、真空测压计水流在通过建筑物的某些部位时，有可能会产生真空。
量测真空压强的设备称为真空测压计，如图2-3-4所示，容器中液面压强小于大气压强，即0a p p <。
从容器外接一玻璃管插入水箱水面以下，在大气压强作用下，管内液面上升一高度v h ，如图2-3-4(a )所示，则A 点绝对压强为所以容器内液面压强(绝对压强)为v a h p p γ-=0由上式得液面的真空值则真空度为v vh p =γ（2－3－5）由图2-3-4可以看出，真空度即为测压管液面在自由液面以上的上升高度。
如果需要量测较大真空值，可采用U 形水银真空计，如图2-3-4(b )所示。
若容器内B 点压强小于大气压强，按上述分析方法，可得B 点的真空值总之，液柱式测压计具有构造简单，量测精度较高等优点，是实验室中的常备仪器。
其缺点是量测范围小，携带不方便等。
此外，还有金属测压计以及电测仪器等，本书不再作介绍。
§2-4 作用在平面上的静水总压力 一、图解法（适用于矩形平面）1、大小小长条面积h p bdhd γω==（∵dh 无限小）hbdh pd dP γω==⎰⎰Ω====H b b H hdh b dP P 0221γγ结论：P =压强分布图的面积×平面宽2、方向：由平行力系合成原理，合力与各分力方向一致，垂直指向被作用面。
3、作用点（压力中心）：通过压强分布图的形心作用在受压面的纵对称轴上。
利用图解法求作用点位置常采用合力矩定理。
合力矩定理：合力对某一轴（点）之矩等于各分力对该轴（点）之矩的代数和。
图示： 2111==e lb h P γ 3)(212122 =-=e b h h P γb h h P P P )(212121+=+=γ2211e P e P Px +=⎪⎪⎭⎫⎝⎛++=212123h h h h x 注意：三心区别（受压面形心，压强分布图形心。
压力中心）思考题：绘出下列第一图三心的位置；求第二图AB 平面上的静水总压力。
二、解析法（适用于任意形状的平面）首先复习材力知识 静矩=ωωωcy yd =⎰惯性矩ωωω22c c x y J d y J +==⎰1、大小ωγhd dP = （d ω很小，近似认为各点压强相等） ωαγd y sin =ωωγωαγωαγωαγωωc c c p h y yd d y dP P ======⎰⎰⎰sin sin sinp=形心点的压强⨯受压面的面积。
2、方向：垂直指向被作用面。
3、作用点：用合力矩定理)(sin sin sin sin 222ωαγαγωαγωαγωωy J J d y d yydP Py c xD +=====⎰⎰⎰ωC CC D y J y y += 说明各项意义，一般情况下D 在C 下方实际工程中的受压面多是轴对称面，总压力P 的作用点必位于对称轴上，这就完全确定了D 的位置。
例题：如图所示，闸门宽1.2m ，铰在A 点，压力表G 的读数为-14700N/m 2，在右侧箱中装BAABP 2P 1AP5.5m2.0m油A水1.5m P=0GB解：一、图解法22/392005.5980014700/196005.3980014700m N p m N p B A =⨯+-==⨯+-=左左左侧：kN P 04.472.12196001=⨯⨯=，m l 11=（距A ）kN P 52.232.12)1960039200(211=⨯⨯-='，m l 342=右侧：2/1666083302m N p B =⨯=右（压强分布图）kN P 04.472.12192002=⨯⨯= m l 343=234992.193/452.23104.470⨯+⨯=⨯+⨯=∑P M A 解得P =25.87KN二、解析法：首先找出p =0的面 -14700 + γy = 0y =1.5m左侧：2/294005.4980014700m N p c =⨯+-=kN p P c 56.7022.1294001=⨯⨯==ωm l my Jy y c c c D 11.1211.311.322.1322.1121313=-==⨯⨯⨯⨯+=+=ω右侧：2/833018330m N p c =⨯=KN P 992.1922.183302=⨯⨯=m l my Jy y c c c D 33.133.122.1122.1121123==⨯⨯⨯⨯+=+=ω233.1992.1911.156.700⨯+⨯=⨯=∑P M A解得P =25.87kN可用图解，也可用解析思考题：一底边水平的等边三角形位于铅直面内，一侧挡水，今将该三角形分成静水总压力相等的两部分，求水平划分线的位置。
hh b b bh h h b h '='⨯⨯=''⋅'2132212132P 1BP 2P 1AP33333222212121hh h h b h b h b h b h ='='='=''§2-5 作用在曲面上的静水总压力 一、原则⎰⎰==Z Z x x dp P dp P 22z x P P P +=二、静水总压力的水平分力xc x x x x x h hd dP P hd hd dP dP xωγωγωγαωγαω======⎰⎰cos cos借用前面积分形式（解释各项意义）作用在曲面上的静水总压力的水平分力x P 等于该曲面在铅垂投影面投影上的静水总压力，x P 的作用线通过x ω的压力中心。