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 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 = 2.5 mb = 1 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 2 m 下にある。ゲートに働く静水圧の合力 F を求めよ。
d = 2 mH = 2 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
入口径 300 mm、のど部径 150 mm の水平なベンチュリ管を水が流れる。入口の圧力はのど部より 57 kPa 高い。損失を無視して、流量 Q を求めよ。
d1 = 300 mmd2 = 150 mmp1 − p2 = 57 kPaρ = 1000 kg/m³
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 60 kPa の圧縮空気がある。水面より 3.5 m 下にある直径 40 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 噴流速度 v。 g = 9.81 m/s² とする。
pair = 60 kPa (ゲージ圧)h = 3.5 md = 40 mmρ = 1000 kg/m³g = 9.81 m/s²
v = m/s
5.管摩擦と損失水頭ふつう
水が、長さ 150 m、内径 300 mm の管内を平均流速 1.7 m/s で流れている。 ダルシーの管摩擦係数 f = 0.025、g = 9.81 m/s² とする。摩擦損失水頭 hf を求めよ。
V = 1.7 m/sL = 150 mD = 300 mmf = 0.025g = 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 200 m、内径 200 mm、ダルシーの管摩擦係数 f = 0.02 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 19 m 高い。局所損失は 角ばった入口（K = 0.5）、3 個の曲がり（各 K = 0.3）、弁（K = 0.2）、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 = 19 mL = 200 mD = 200 mmf = 0.02Kentrance = 0.5Kbend = 0.3 (×3)Kvalve = 0.2Kexit = 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 20 m に対して水（ρ = 1000 kg/m³）を 30 L/s 送り、そのとき軸動力は 7.2 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 = 30 L/sH = 20 mPshaft = 7.2 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 16 m 高い上のタンクへ送る。管は長さ 150 m、内径 200 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 = 5（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 100 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 = 16 mL = 150 mD = 200 mmf = 0.022ΣK = 5ptank = 100 kPa
H = m
9.開水路の流れ（マニング）ふつう
台形の砂利の水路の底幅は 4 m、側面勾配は 1.5:1（水平:鉛直）である。水は水深 1 m の等流で流れている。 マニングの粗度係数 n = 0.025、水路床勾配は S = 0.0015 である。流量 Q を m³/s で求めよ。
b = 4 my = 1 mz = 1.5n = 0.025S = 0.0015
Q = m³/s
10.開水路の流れ（マニング）むずかしい
底幅 2 m、側面勾配 2:1（水平:鉛直）の台形の芝で覆われた土の水路は、 水深 1.6 m の等流で 16 m³/s を流さなければならない。マニングの粗度係数 n = 0.03。必要な水路床勾配 S を（m/m で）求めよ。
Q = 16 m³/sb = 2 my = 1.6 mz = 2n = 0.03
S = m/m
3溶液
1.静水圧
答え: F = 104.2 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 + 2.5/2 = 4.25 m
A = H·b = 2.5·1 = 2.5 m²
合力
F = ρ·g·yc·A = 1000·9.81·4.25·2.5 = 104.2 kN
答え
F = 104.2 kN
2.静水圧
答え: F = 60.33 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 = 2 + 2/2 = 3 m
A = H·b = 2·1 = 2 m²
合力
F = ρ·g·yc·A = 1025·9.81·3·2 = 60.33 kN
答え
F = 60.33 kN
3.連続の式とベルヌーイ
答え: Q = 194.9 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.
連続の式
v1 = v2·(150/300)² = 0.25·v2
入口とのど部の間のベルヌーイの式
管は水平なので、変化するのは圧力と流速だけです。
p1 − p2 = ½ρv2²(1 − β⁴)
v2 = √(2·57000/(1000·(1 − 0.0625))) = 11.03 m/s
v1 = 2.757 m/s
流量
Q = A2·v2 = 0.01767·11.03 = 0.1949 m³/s = 194.9 L/s
答え
Q = 194.9 L/s
4.連続の式とベルヌーイ
答え: v = 13.74 m/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·(60000/1000 + 9.81·3.5)) = 13.74 m/s
答え
v = 13.74 m/s
5.管摩擦と損失水頭
答え: hf = 1.841 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) = 1.7²/(2·9.81) = 0.1473 m
ダルシー・ワイスバッハの式
hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0.025·(150/0.3)·1.7²/(2·9.81) = 1.841 m
答え
hf = 1.841 m
6.管摩擦と損失水頭
答え: Q = 127.6 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 = 0.02·200/0.2 = 20
ΣK = 0.5 + 3·0.3 + 0.2 + 1.0 = 2.6
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。
19 = (20 + 2.6)·V²/(2·9.81)
V = √(2·9.81·19/22.6) = 4.061 m/s
流量
Q = V·π·D²/4 = 4.061·0.03142 = 0.1276 m³/s = 127.6 L/s
答え
Q = 127.6 L/s
7.ポンプとポンプ動力
答え: η = 81.75 %
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 = 1000·9.81·0.03·20 = 5.886 kW
効率
η = Ph/Pshaft = 5.886/7.2 = 81.75%
答え
η = 81.75%
8.ポンプとポンプ動力
答え: H = 32.44 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) = (16.5 + 5)·0.2905 = 6.245 m
圧力水頭
p/(ρ·g) = 100000/(1000·9.81) = 10.19 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 = 16 + 10.19 + 6.245 = 32.44 m
答え
H = 32.44 m
9.開水路の流れ（マニング）
答え: Q = 6.865 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 = (4 + 1.5·1)·1 = 5.5 m²
P = b + 2y·√(1 + z²) = 4 + 2·1·√(1 + 1.5²) = 7.606 m
R = A/P = 0.7232 m
速度
V = (1/0.025)·0.72322/3·0.00151/2 = 1.248 m/s
流量
Q = A·V = 5.5·1.248 = 6.865 m³/s
答え
Q = 6.865 m³/s
10.開水路の流れ（マニング）
答え: S = 0.003781 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 = (2 + 2·1.6)·1.6 = 8.32 m²
P = b + 2y·√(1 + z²) = 2 + 2·1.6·√(1 + 2²) = 9.155 m
R = A/P = 0.9088 m
マニングの式を S について解く
S1/2 = n·Q/(A·R2/3) = 0.03·16/(8.32·0.9382) = 0.06149
S = 0.06149² = 0.003781
答え
S = 0.003781
これは 1 km あたり 3.781 m の落差です。
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