静水圧
- 深さでの圧力
- p = ρgh
- 鉛直な壁に働く力
- F = ρg·hc·A
- 圧力中心
- yp = yc + Ic/(ycA)
- 長方形
- Ic = bH³/12
水理学：直前対策パック
公式集、全トピックの解法の要点、10 問の演習問題。完全な解答は巻末にあります。
1公式と解法
連続の式とベルヌーイ
- 連続の式
- A1v1 = A2v2
- ベルヌーイの定理
- p1 + ½ρv1² + ρgz1 = p2 + ½ρv2² + ρgz2
- 流量
- Q = A·v
- 円の面積
- A = πd²/4
管摩擦と損失水頭
- レイノルズ数
- Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ
- 流れの状態
- Re ≈ 2000 未満で層流、Re ≈ 4000 を超えると乱流
- 平均流速
- V = Q/A, A = π·D²/4
- ダルシー・ワイスバッハの式
- hf = f·(L/D)·V²/(2g)
- 局所損失
- hm = ΣK·V²/(2g)
- 代表的な K の値
- 入口 0.5、出口 1.0、90° 曲がり ≈ 0.3
- 圧力損失
- Δp = ρ·g·hf
- 2 つの開放貯水槽
- Δz = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)
- 自由放出
- H = (1 + f·L/D + ΣK)·V²/(2g)
ポンプとポンプ動力
- 水動力
- Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp
- 軸動力
- Pshaft = Ph/ηpump
- 電力
- Pel = Pshaft/ηmotor
- ポンプ揚程
- H = Δz + Δp/(ρ·g) + hL
- 管路系の損失
- hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)
開水路の流れ（マニング）
- マニングの式
- V = (1/n)·R2/3·S1/2
- 流量
- Q = A·V
- 径深
- R = A/P (P = wetted perimeter, free surface excluded)
- 長方形
- A = b·y, P = b + 2y
- 台形断面（側面勾配 z:1）
- A = (b + z·y)·y, P = b + 2y·√(1 + z²)
- 円形管（満流または半満流）
- R = D/4
- 必要な水路勾配
- S = (n·Q/(A·R2/3))²
2演習問題
1.静水圧ふつう
幅 1.5 m の鉛直な長方形ゲートが、水を入れたタンクの壁にあり、その上端は液面から 3 m 下にある。ゲートに働く静水圧の合力 F を求めよ。
d = 3 mH = 3 mb = 1.5 mρ = 1000 kg/m³g = 9.81 m/s²
F = kN
2.静水圧むずかしい
幅 3 m の鉛直な長方形ゲートが、水を入れたタンクの壁にあり、その上端は液面から 1.5 m 下にある。液面から圧力中心までの深さ ycp を求めよ。
d = 1.5 mH = 2.5 mb = 3 mρ = 1000 kg/m³g = 9.81 m/s²
ycp = m
3.連続の式とベルヌーイふつう
水が、75 mm から 25 mm に細くなる水平管を流れる。太い部分の圧力は 210 kPa、流速は 1.5 m/s である。損失を無視して、細い部分の圧力 p2 を求めよ。
d1 = 75 mmd2 = 25 mmp1 = 210 kPav1 = 1.5 m/sρ = 1000 kg/m³
p2 = kPa
4.連続の式とベルヌーイむずかしい
内径 50 mm のホースで開放水槽から水をサイホンで吸い出す。ホースの最高点 C は水面より 3 m 上にあり、出口（大気に開放）は水面より 4.5 m 下にある。損失を無視し、g = 9.81 m/s² とする。 点 C での絶対圧力 pC を求めよ。大気圧は 101.3 kPa である。
d = 50 mmzC = +3 mz2 = −4.5 mg = 9.81 m/s²patm = 101.3 kPa
pC = kPa
5.管摩擦と損失水頭ふつう
水が、長さ 150 m、内径 200 mm の管内を 30 L/s で流れている。 ダルシーの管摩擦係数 f = 0.028、g = 9.81 m/s² とする。摩擦損失水頭 hf を求めよ。
Q = 30 L/sL = 150 mD = 200 mmf = 0.028g = 9.81 m/s²
hf = m
6.管摩擦と損失水頭むずかしい
2 つの開放貯水槽が、長さ 150 m、内径 100 mm、ダルシーの管摩擦係数 f = 0.018 の管でつながれている。局所損失は 角ばった入口（K = 0.5）、4 個の曲がり（各 K = 0.3）、弁（K = 10）、下の貯水槽への出口（K = 1.0） である。g = 9.81 m/s² とする。流量 15 L/s となる貯水槽間の水位差 Δz を求めよ。
Q = 15 L/sL = 150 mD = 100 mmf = 0.018Kentrance = 0.5Kbend = 0.3 (×4)Kvalve = 10Kexit = 1.0
Δz = m
7.ポンプとポンプ動力ふつう
試験で、ポンプが揚程 68 m に対して水（ρ = 1000 kg/m³）を 40 L/s 送り、そのとき軸動力は 35.6 kW である。g = 9.81 m/s² とする。ポンプ効率 η をパーセントで求めよ。
Q = 40 L/sH = 68 mPshaft = 35.6 kWg = 9.81 m/s²
η = %
8.ポンプとポンプ動力むずかしい
ポンプが 50 L/s の水（ρ = 1000 kg/m³）を、開放された下の貯水槽から、水面が 20 m 高い上のタンクへ送る。管は長さ 300 m、内径 150 mm、ダルシーの管摩擦係数 f = 0.015 で、局所損失係数の合計は ΣK = 5（入口と出口を含む）である。g = 9.81 m/s² とする。 ポンプ効率は 70% である。軸動力 Pshaft を kW で求めよ。
Q = 50 L/sΔz = 20 mL = 300 mD = 150 mmf = 0.015ΣK = 5η = 70%
Pshaft = kW
9.開水路の流れ（マニング）ふつう
台形の仕上げたコンクリートの水路の底幅は 2 m、側面勾配は 2:1（水平:鉛直）である。水は水深 1.4 m の等流で流れている。 マニングの粗度係数 n = 0.012、水路床勾配は S = 0.001 である。流量 Q を m³/s で求めよ。
b = 2 my = 1.4 mz = 2n = 0.012S = 0.001
Q = m³/s
10.開水路の流れ（マニング）むずかしい
底幅 4 m、側面勾配 1.5:1（水平:鉛直）の台形の砂利の水路は、 水深 1.5 m の等流で 20 m³/s を流さなければならない。マニングの粗度係数 n = 0.025。必要な水路床勾配 S を（m/m で）求めよ。
Q = 20 m³/sb = 4 my = 1.5 mz = 1.5n = 0.025
S = m/m
3溶液
1.静水圧
答え: F = 198.7 kN
平面に働く静水圧：F = ρ·g·yc·A。力は圧力中心 ycp = yc + Ic/(ycA) に作用し、これは常に図心より下にあります。
図心の深さと面積
yc = d + H/2 = 3 + 3/2 = 4.5 m
A = H·b = 3·1.5 = 4.5 m²
合力
F = ρ·g·yc·A = 1000·9.81·4.5·4.5 = 198.7 kN
答え
F = 198.7 kN
2.静水圧
答え: ycp = 2.939 m
平面に働く静水圧：F = ρ·g·yc·A。力は圧力中心 ycp = yc + Ic/(ycA) に作用し、これは常に図心より下にあります。
図心の深さと面積
yc = d + H/2 = 1.5 + 2.5/2 = 2.75 m
A = H·b = 2.5·3 = 7.5 m²
合力
F = ρ·g·yc·A = 1000·9.81·2.75·7.5 = 202.3 kN
圧力中心
圧力は深さとともに増えるので、合力は図心より下に作用します。
Ic = b·H³/12 = 3·2.5³/12 = 3.906 m⁴
ycp = yc + Ic/(yc·A) = 2.75 + 3.906/(2.75·7.5) = 2.939 m
答え
ycp = 2.939 m
3.連続の式とベルヌーイ
答え: p2 = 120 kPa
連続の式とベルヌーイの定理：非圧縮性流体では、どの断面でも流量は同じです：Q = A₁v₁ = A₂v₂。損失のない流線に沿って p + ½ρv² + ρgz は一定なので、流れが速いところや高いところほど圧力は低くなります。
連続の式とベルヌーイ
Pa で計算し、1000 で割って kPa にします。
v2 = v1·(d1/d2)² = 1.5·(75/25)² = 13.5 m/s
½ρ(v1² − v2²) = ½·1000·(1.5² − 13.5²)/1000 = −90 kPa
p2 = p1 + ½ρ(v1² − v2²) = 210 + (−90) = 120 kPa
答え
p2 = 120 kPa
4.連続の式とベルヌーイ
答え: pC = 27.72 kPa
Continuity and Bernoulli: for an incompressible fluid the flow rate is the same at every section, Q = A₁v₁ = A₂v₂. Along a streamline without losses, p + ½ρv² + ρgz is constant, so where the fluid is faster or higher its pressure is lower.
ホース内の流速
水面と出口はどちらも大気に開放されているので、圧力の項は打ち消し合います。
v = √(2g·4.5) = √(2·9.81·4.5) = 9.396 m/s
水面から C へのベルヌーイの式
patm = pC + ½ρv² + ρgzC
pC = 101.3 − 1000·(9.396²/2 + 9.81·3)/1000 = 101.3 − 73.58 = 27.72 kPa
答え
pC = 27.72 kPa
この圧力が水の蒸気圧まで下がると、サイホンは働かなくなります。
5.管摩擦と損失水頭
答え: hf = 0.976 m
管内流れ：レイノルズ数 Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ によって、層流（Re が約 2000 未満）と乱流（約 4000 超）を区別します。管に沿った摩擦によってダルシー・ワイスバッハの損失水頭 hf = f·(L/D)·V²/(2g) が生じます。継手、弁、入口、出口は局所損失 hm = ΣK·V²/(2g) を加えます。2 つの開放貯水槽の水面間では、エネルギー式から Δz = hf + hm（出口損失 K = 1 を含む）が得られます。
平均流速
A = π·0.2²/4 = 0.03142 m²
V = Q/A = 0.03/0.03142 = 0.9549 m/s
速度水頭
V²/(2g) = 0.9549²/(2·9.81) = 0.04648 m
ダルシー・ワイスバッハの式
hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0.028·(150/0.2)·0.9549²/(2·9.81) = 0.976 m
答え
hf = 0.976 m
6.管摩擦と損失水頭
答え: Δz = 7.381 m
管内流れ：レイノルズ数 Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ によって、層流（Re が約 2000 未満）と乱流（約 4000 超）を区別します。管に沿った摩擦によってダルシー・ワイスバッハの損失水頭 hf = f·(L/D)·V²/(2g) が生じます。継手、弁、入口、出口は局所損失 hm = ΣK·V²/(2g) を加えます。2 つの開放貯水槽の水面間では、エネルギー式から Δz = hf + hm（出口損失 K = 1 を含む）が得られます。
速度
V = Q/A = 0.015/0.007854 = 1.91 m/s
V²/(2g) = 0.1859 m
損失係数
f·L/D = 0.018·150/0.1 = 27
ΣK = 0.5 + 4·0.3 + 10 + 1.0 = 12.7
全損失水頭
hf = 27·0.1859 = 5.02 m
hm = 12.7·0.1859 = 2.361 m
Δz = hf + hm = 7.381 m
答え
Δz = 7.381 m
7.ポンプとポンプ動力
答え: η = 74.95 %
ポンプ動力：水に与えられる動力は水動力 Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp です。ポンプには損失があるので、軸はそれより大きな動力を伝えなければなりません：Pshaft = Ph/ηpump。モーターが消費する電力は Pel = Pshaft/ηmotor です。ポンプ揚程 H はエネルギー式から求めます：実揚程 + 圧力水頭 + すべての摩擦損失と局所損失。
水動力
Ph = ρ·g·Q·H = 1000·9.81·0.04·68 = 26.68 kW
効率
η = Ph/Pshaft = 26.68/35.6 = 74.95%
答え
η = 74.95%
8.ポンプとポンプ動力
答え: Pshaft = 24.02 kW
ポンプ動力：水に与えられる動力は水動力 Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp です。ポンプには損失があるので、軸はそれより大きな動力を伝えなければなりません：Pshaft = Ph/ηpump。モーターが消費する電力は Pel = Pshaft/ηmotor です。ポンプ揚程 H はエネルギー式から求めます：実揚程 + 圧力水頭 + すべての摩擦損失と局所損失。
速度
V = Q/A = 0.05/0.01767 = 2.829 m/s
V²/(2g) = 0.408 m
損失水頭
hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (30 + 5)·0.408 = 14.28 m
ポンプ揚程
H = Δz + hL = 20 + 14.28 = 34.28 m
軸動力
Pshaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9.81·0.05·34.28/0.7 = 24.02 kW
答え
Pshaft = 24.02 kW
9.開水路の流れ（マニング）
答え: Q = 15.43 m³/s
マニングの式（SI 単位）：開水路の等流では V = (1/n)·R2/3·S1/2、Q = A·V です。n は粗度係数、S は水路床勾配 (m/m)、R = A/P は径深（流水断面積を潤辺で割ったもの）です。P に数えるのは水に接している境界だけで、水面は含めません。長方形：A = b·y、P = b + 2y。側面勾配 z:1（水平:鉛直）の台形：A = (b + z·y)·y、P = b + 2y·√(1 + z²)。満流または半満流の円形管では R = D/4 です。
断面の形状
A = (b + z·y)·y = (2 + 2·1.4)·1.4 = 6.72 m²
P = b + 2y·√(1 + z²) = 2 + 2·1.4·√(1 + 2²) = 8.261 m
R = A/P = 0.8135 m
速度
V = (1/0.012)·0.81352/3·0.0011/2 = 2.296 m/s
流量
Q = A·V = 6.72·2.296 = 15.43 m³/s
答え
Q = 15.43 m³/s
10.開水路の流れ（マニング）
答え: S = 0.002858 m/m
マニングの式（SI 単位）：開水路の等流では V = (1/n)·R2/3·S1/2、Q = A·V です。n は粗度係数、S は水路床勾配 (m/m)、R = A/P は径深（流水断面積を潤辺で割ったもの）です。P に数えるのは水に接している境界だけで、水面は含めません。長方形：A = b·y、P = b + 2y。側面勾配 z:1（水平:鉛直）の台形：A = (b + z·y)·y、P = b + 2y·√(1 + z²)。満流または半満流の円形管では R = D/4 です。
断面の形状
A = (b + z·y)·y = (4 + 1.5·1.5)·1.5 = 9.375 m²
P = b + 2y·√(1 + z²) = 4 + 2·1.5·√(1 + 1.5²) = 9.408 m
R = A/P = 0.9965 m
マニングの式を S について解く
S1/2 = n·Q/(A·R2/3) = 0.025·20/(9.375·0.9976) = 0.05346
S = 0.05346² = 0.002858
答え
S = 0.002858
これは 1 km あたり 2.858 m の落差です。
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