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 2 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 4 m 下にある。ゲートに働く静水圧の合力 F を求めよ。
d = 4 mH = 1.5 mb = 2 mρ = 1000 kg/m³g = 9.81 m/s²
F = kN
2.静水圧むずかしい
幅 1 m の鉛直な長方形ゲートが、海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。ゲートに働く静水圧の合力 F を求めよ。
d = 1.5 mH = 1 mb = 1 mρ = 1025 kg/m³g = 9.81 m/s²
F = kN
3.連続の式とベルヌーイふつう
水が 5 L/s で、80 mm から 40 mm に細くなる水平管を流れる。細い部分の圧力は 120 kPa である。損失を無視して、太い部分の圧力 p1 を求めよ。
Q = 5 L/sd1 = 80 mmd2 = 40 mmp2 = 120 kPaρ = 1000 kg/m³
p1 = kPa
4.連続の式とベルヌーイむずかしい
水が、100 mm から 50 mm に細くなりながら 3 m 上昇する管を上向きに流れる。断面 1 での圧力は 290 kPa、流速は 0.5 m/s である。損失を無視して、断面 2 での圧力 p2 を求めよ。
d1 = 100 mmd2 = 50 mmp1 = 290 kPav1 = 0.5 m/sΔz = 3 mρ = 1000 kg/m³
p2 = kPa
5.管摩擦と損失水頭ふつう
水が、長さ 500 m、内径 100 mm の管内を 4 L/s で流れている。 ダルシーの管摩擦係数 f = 0.015、g = 9.81 m/s² とする。摩擦損失水頭 hf を求めよ。
Q = 4 L/sL = 500 mD = 100 mmf = 0.015g = 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 100 m、内径 250 mm、ダルシーの管摩擦係数 f = 0.025 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 = 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 100 L/s となる貯水槽間の水位差 Δz を求めよ。
Q = 100 L/sL = 100 mD = 250 mmf = 0.025Kentrance = 0.5Kbend = 0.3 (×4)Kvalve = 5Kexit = 1.0
Δz = m
7.ポンプとポンプ動力ふつう
ポンプが揚程 52 m に対して水（ρ = 1000 kg/m³）を 30 L/s 送っている。ポンプ効率は 82%、これを駆動する電動機の効率は 92% である。g = 9.81 m/s² とする。電動機が消費する電力 Pel を kW で求めよ。
Q = 30 L/sH = 52 mηpump = 82%ηmotor = 92%g = 9.81 m/s²
Pel = kW
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 15 m 高い上のタンクへ送る。管は長さ 400 m、内径 150 mm、ダルシーの管摩擦係数 f = 0.022 で、局所損失係数の合計は ΣK = 8（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 82% である。軸動力 Pshaft を kW で求めよ。
Q = 50 L/sΔz = 15 mL = 400 mD = 150 mmf = 0.022ΣK = 8η = 82%
Pshaft = kW
9.開水路の流れ（マニング）ふつう
内径 1200 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 = 0.002 である。流量 Q を m³/s で求めよ。
D = 1200 mmn = 0.013S = 0.002
Q = m³/s
10.開水路の流れ（マニング）むずかしい
底幅 5.5 m、側面勾配 3:1（水平:鉛直）の台形のきれいな土の水路は、 水深 2.1 m の等流で 52 m³/s を流さなければならない。マニングの粗度係数 n = 0.022。必要な水路床勾配 S を（m/m で）求めよ。
Q = 52 m³/sb = 5.5 my = 2.1 mz = 3n = 0.022
S = m/m
3溶液
1.静水圧
答え: F = 139.8 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 = 4 + 1.5/2 = 4.75 m
A = H·b = 1.5·2 = 3 m²
合力
F = ρ·g·yc·A = 1000·9.81·4.75·3 = 139.8 kN
答え
F = 139.8 kN
2.静水圧
答え: F = 20.11 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 + 1/2 = 2 m
A = H·b = 1·1 = 1 m²
合力
F = ρ·g·yc·A = 1025·9.81·2·1 = 20.11 kN
答え
F = 20.11 kN
3.連続の式とベルヌーイ
答え: p1 = 127.4 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.
流速
v1 = Q/A1 = 0.005/0.005027 = 0.9947 m/s
v2 = Q/A2 = 0.005/0.001257 = 3.979 m/s
ベルヌーイの定理
p1 = p2 + ½ρ(v2² − v1²) = 120 + ½·1000·(3.979² − 0.9947²)/1000 = 120 + 7.421 = 127.4 kPa
答え
p1 = 127.4 kPa
4.連続の式とベルヌーイ
答え: p2 = 258.7 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 = 0.5·(100/50)² = 2 m/s
½ρ(v1² − v2²) = ½·1000·(0.5² − 2²)/1000 = −1.875 kPa
ρgΔz = 1000·9.81·3/1000 = 29.43 kPa
p2 = p1 + ½ρ(v1² − v2²) − ρgΔz = 290 + (−1.875) − 29.43 = 258.7 kPa
答え
p2 = 258.7 kPa
5.管摩擦と損失水頭
答え: hf = 0.9915 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·0.1²/4 = 0.007854 m²
V = Q/A = 0.004/0.007854 = 0.5093 m/s
速度水頭
V²/(2g) = 0.5093²/(2·9.81) = 0.01322 m
ダルシー・ワイスバッハの式
hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0.015·(500/0.1)·0.5093²/(2·9.81) = 0.9915 m
答え
hf = 0.9915 m
6.管摩擦と損失水頭
答え: Δz = 3.744 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 = 0.1/0.04909 = 2.037 m/s
V²/(2g) = 0.2115 m
損失係数
f·L/D = 0.025·100/0.25 = 10
ΣK = 0.5 + 4·0.3 + 5 + 1.0 = 7.7
全損失水頭
hf = 10·0.2115 = 2.115 m
hm = 7.7·0.2115 = 1.629 m
Δz = hf + hm = 3.744 m
答え
Δz = 3.744 m
7.ポンプとポンプ動力
答え: Pel = 20.29 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。
水動力
Ph = ρ·g·Q·H = 1000·9.81·0.03·52 = 15.3 kW
軸動力
Pshaft = 15.3/0.82 = 18.66 kW
電力
Pel = 18.66/0.92 = 20.29 kW
答え
Pel = 20.29 kW
8.ポンプとポンプ動力
答え: Pshaft = 25.24 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) = (58.67 + 8)·0.408 = 27.2 m
ポンプ揚程
H = Δz + hL = 15 + 27.2 = 42.2 m
軸動力
Pshaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9.81·0.05·42.2/0.82 = 25.24 kW
答え
Pshaft = 25.24 kW
9.開水路の流れ（マニング）
答え: Q = 0.8718 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 = 0.5655 m², R = D/4 = 0.3 m
速度
V = (1/0.013)·0.32/3·0.0021/2 = 1.542 m/s
流量
Q = A·V = 0.5655·1.542 = 0.8718 m³/s
答え
Q = 0.8718 m³/s
10.開水路の流れ（マニング）
答え: S = 0.001473 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 = (5.5 + 3·2.1)·2.1 = 24.78 m²
P = b + 2y·√(1 + z²) = 5.5 + 2·2.1·√(1 + 3²) = 18.78 m
R = A/P = 1.319 m
マニングの式を S について解く
S1/2 = n·Q/(A·R2/3) = 0.022·52/(24.78·1.203) = 0.03838
S = 0.03838² = 0.001473
答え
S = 0.001473
これは 1 km あたり 1.473 m の落差です。
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