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 0.5 m 下にある。ゲートに働く静水圧の合力 F を求めよ。
d = 0.5 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 2 m の鉛直な長方形ゲートが、グリセリン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。ゲートに働く静水圧の合力 F を求めよ。
d = 1.5 mH = 1.5 mb = 2 mρ = 1260 kg/m³g = 9.81 m/s²
F = kN
3.連続の式とベルヌーイふつう
大きな開放水槽から、直径 20 mm の刃形オリフィスを通って水が流出する。水位はオリフィスより 3.5 m 上に保たれ、流量係数は 0.64 である。流量 Q を求めよ。g = 9.81 m/s² とする。
d = 20 mmh = 3.5 mCd = 0.64g = 9.81 m/s²
Q = L/s
4.連続の式とベルヌーイむずかしい
密閉水槽の水面上に、ゲージ圧 130 kPa の圧縮空気がある。水面より 4 m 下にある直径 25 mm の孔から、水が大気中に流出する。損失を無視して、次を求めよ 流量 Q。 g = 9.81 m/s² とする。
pair = 130 kPa (ゲージ圧)h = 4 md = 25 mmρ = 1000 kg/m³g = 9.81 m/s²
Q = L/s
5.管摩擦と損失水頭ふつう
水が、長さ 50 m、内径 50 mm の管内を平均流速 2.9 m/s で流れている。 ダルシーの管摩擦係数 f = 0.03、g = 9.81 m/s² とする。摩擦損失水頭 hf を求めよ。
V = 2.9 m/sL = 50 mD = 50 mmf = 0.03g = 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 400 m、内径 300 mm、ダルシーの管摩擦係数 f = 0.018 の管でつながれている。上の貯水槽の水面は下の貯水槽の水面より 35 m 高い。局所損失は 角ばった入口（K = 0.5）、2 個の曲がり（各 K = 0.3）、弁（K = 5）、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 Q を L/s で求めよ。
Δz = 35 mL = 400 mD = 300 mmf = 0.018Kentrance = 0.5Kbend = 0.3 (×2)Kvalve = 5Kexit = 1.0
Q = L/s
7.ポンプとポンプ動力ふつう
試験で、ポンプが揚程 56 m に対して水（ρ = 1000 kg/m³）を 25 L/s 送り、そのとき軸動力は 21.1 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 = 25 L/sH = 56 mPshaft = 21.1 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 75 L/s の水（ρ = 1000 kg/m³）を、開放された下の貯水槽から、水面が 13 m 高い上のタンクへ送る。管は長さ 400 m、内径 200 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 = 6（入口と出口を含む）である。g = 9.81 m/s² とする。 上のタンクは密閉されており、水面上の空気のゲージ圧は 400 kPa である。ポンプが与えなければならない揚程 H を求めよ。
Q = 75 L/sΔz = 13 mL = 400 mD = 200 mmf = 0.015ΣK = 6ptank = 400 kPa
H = m
9.開水路の流れ（マニング）ふつう
内径 600 mm のコンクリート製雨水管が半満流で流れている。 マニングの粗度係数 n = 0.013、勾配は S = 0.004 である。流量 Q を m³/s で求めよ。
D = 600 mmn = 0.013S = 0.004
Q = m³/s
10.開水路の流れ（マニング）むずかしい
底幅 1 m、側面勾配 1:1（水平:鉛直）の台形の砂利の水路は、 水深 0.7 m の等流で 1.8 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 = 1.8 m³/sb = 1 my = 0.7 mz = 1n = 0.025
S = m/m
3溶液
1.静水圧
答え: F = 88.29 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 = 0.5 + 3/2 = 2 m
A = H·b = 3·1.5 = 4.5 m²
合力
F = ρ·g·yc·A = 1000·9.81·2·4.5 = 88.29 kN
答え
F = 88.29 kN
2.静水圧
答え: F = 83.43 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 = 1.5 + 1.5/2 = 2.25 m
A = H·b = 1.5·2 = 3 m²
合力
F = ρ·g·yc·A = 1260·9.81·2.25·3 = 83.43 kN
答え
F = 83.43 kN
3.連続の式とベルヌーイ
答え: Q = 1.666 L/s
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.
理想的な噴流速度
√(2gh) = √(2·9.81·3.5) = 8.287 m/s
実際の流量
流量係数は、噴流の縮流と縁での摩擦を考慮したものです。
Q = Cd·A·√(2gh) = 0.64·0.0003142·8.287 = 0.001666 m³/s = 1.666 L/s
答え
Q = 1.666 L/s
4.連続の式とベルヌーイ
答え: Q = 9.031 L/s
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.
水面から噴流へのベルヌーイの式
v = √(2·(130000/1000 + 9.81·4)) = 18.4 m/s
流量
Q = A·v = 0.0004909·18.4 = 0.009031 m³/s = 9.031 L/s
答え
Q = 9.031 L/s
5.管摩擦と損失水頭
答え: hf = 12.86 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。
速度水頭
V²/(2g) = 2.9²/(2·9.81) = 0.4286 m
ダルシー・ワイスバッハの式
hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0.03·(50/0.05)·2.9²/(2·9.81) = 12.86 m
答え
hf = 12.86 m
6.管摩擦と損失水頭
答え: Q = 332.2 L/s
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。
損失係数
f·L/D = 0.018·400/0.3 = 24
ΣK = 0.5 + 2·0.3 + 5 + 1.0 = 7.1
エネルギー式
どちらの水面も大気に開放され、ほぼ静止しているので、Δz はすべて管内で失われます。
35 = (24 + 7.1)·V²/(2·9.81)
V = √(2·9.81·35/31.1) = 4.699 m/s
流量
Q = V·π·D²/4 = 4.699·0.07069 = 0.3322 m³/s = 332.2 L/s
答え
Q = 332.2 L/s
7.ポンプとポンプ動力
答え: η = 65.09 %
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 = 1000·9.81·0.025·56 = 13.73 kW
効率
η = Ph/Pshaft = 13.73/21.1 = 65.09%
答え
η = 65.09%
8.ポンプとポンプ動力
答え: H = 64.23 m
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 = 0.075/0.03142 = 2.387 m/s
V²/(2g) = 0.2905 m
損失水頭
hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (30 + 6)·0.2905 = 10.46 m
圧力水頭
p/(ρ·g) = 400000/(1000·9.81) = 40.77 m
ポンプ揚程
どちらの水面もほぼ静止しているので、速度水頭の項はありません。
H = Δz + p/(ρ·g) + hL = 13 + 40.77 + 10.46 = 64.23 m
答え
H = 64.23 m
9.開水路の流れ（マニング）
答え: Q = 0.1942 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 = 0.1414 m², R = D/4 = 0.15 m
速度
V = (1/0.013)·0.152/3·0.0041/2 = 1.373 m/s
流量
Q = A·V = 0.1414·1.373 = 0.1942 m³/s
答え
Q = 0.1942 m³/s
10.開水路の流れ（マニング）
答え: S = 0.004863 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 = (1 + 1·0.7)·0.7 = 1.19 m²
P = b + 2y·√(1 + z²) = 1 + 2·0.7·√(1 + 1²) = 2.98 m
R = A/P = 0.3993 m
マニングの式を S について解く
S1/2 = n·Q/(A·R2/3) = 0.025·1.8/(1.19·0.5423) = 0.06973
S = 0.06973² = 0.004863
答え
S = 0.004863
これは 1 km あたり 4.863 m の落差です。
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