Parcie hydrostatyczne: zadania z rozwiązaniami krok po kroku

Inaczej: ciśnienie hydrostatyczne · parcie na ściany · środek parcia

Darmowe zadania z tematu Parcie hydrostatyczne z rysunkami, podpowiedziami i pełnymi rozwiązaniami. Za każdym razem nowe wartości, na trzech poziomach: ściana pionowa, zanurzona zasuwa, środek parcia.

Darmowe zadanieŁatwy
h = 3 m

Woda o głębokości 3 m napiera na pionową ścianę. Wyznacz wysokość ȳ nad podstawą, na której działa siła wypadkowa.

h = 3 mb = 4 mρ = 1000 kg/m³g = 9,81 m/s²
m
Następne zadanie →

Co ćwiczysz

  1. Łatwyściana pionowa
  2. Średnizanurzona zasuwa
  3. Trudnyśrodek parcia

Najważniejsze wzory

Ciśnienie na głębokości
p = ρgh
Parcie na ścianę pionową
F = ρg·hc·A
Środek parcia
yp = yc + Ic/(ycA)
Prostokąt
Ic = bH³/12

Naucz się tematu Parcie hydrostatyczne od zera

1Czym jest siła hydrostatyczna

Woda w spoczynku napiera na każdą powierzchnię, której dotyka: ścianę zbiornika, zaporę, wrota śluzy. Ten nacisk to siła hydrostatyczna.

Im głębiej, tym mocniej woda napiera. Czujesz to w uszach, gdy nurkujesz na dno basenu.

Ciśnienie na głębokości h pod swobodną powierzchnią to ciężar słupa wody nad jednym metrem kwadratowym:

p = ρ · g · h

ρ to gęstość (1000 kg/m³ dla wody słodkiej), a g = 9,81 m/s². Dla h w metrach p wychodzi w Pa (N/m²). Podziel przez 1000, aby otrzymać kPa.

Ciśnienie działa prostopadle do powierzchni. Nie zależy od kształtu ani szerokości zbiornika, tylko od głębokości.

Samosprawdzenie Jakie jest ciśnienie wody 5 m pod powierzchnią jeziora? (ρ = 1000 kg/m³, g = 9,81 m/s²)
  1. 24,5 kPa
  2. 49,05 kPa
  3. 5 kPa
  4. 98,1 kPa

Odpowiedź: 49,05 kPa. p = 1000 · 9,81 · 5 = 49 050 Pa = 49,05 kPa. Pominięcie g daje 5 kPa, czyli masę na pole, a nie ciśnienie.

2Parcie na ścianę pionową

Na pionowej ścianie ciśnienie rośnie liniowo od zera na powierzchni do ρgh na dnie. Obciążenie ściany ma kształt trójkąta.

h = 3 mF

Siła całkowita to pole tego trójkąta razy szerokość b ściany:

F = ½ · ρg·h · h · b = ½ · ρ · g · h² · b

Siła działa przez środek ciężkości trójkąta, w jednej trzeciej wysokości nad podstawą:

ȳ = h / 3 (od podstawy)

Siła działa więc niżej niż w połowie ściany. To ma sens: dolna część jest naciskana najmocniej.

Samosprawdzenie Woda o głębokości 2 m stoi przy pionowej ścianie o szerokości 1 m. Jaka jest siła wypadkowa? (ρg = 9810 N/m³)
  1. 19,62 kN
  2. 39,24 kN
  3. 4 kN
  4. 9,81 kN

Odpowiedź: 19,62 kN. F = ½ · 9810 · 2² · 1 = 19 620 N = 19,62 kN. Użycie ciśnienia na dnie dla całej ściany (39,24 kN) pomija ½: u góry ciśnienie wynosi zero.

3Zanurzone wrota i środek parcia

Wrota głęboko w ścianie zbiornika nie zaczynają się od powierzchni. Dla dowolnej płaskiej powierzchni siła równa się ciśnieniu w jej środku ciężkości razy jej pole:

F = ρ · g · yc · A

yc to głębokość środka ciężkości. Dla prostokątnych wrót o wysokości H, których górna krawędź jest d pod powierzchnią, yc = d + H/2, a A = H·b.

Siła nie działa w środku ciężkości. Działa nieco niżej, w środku parcia, ponieważ dolna część wrót jest naciskana mocniej:

ycp = yc + Ic / (yc · A), Ic = b·H³/12

Ic to moment bezwładności pola wrót względem ich własnego środka ciężkości. Im głębiej leżą wrota, tym bliżej yc jest ycp.

Dla ściany zaczynającej się od powierzchni (d = 0) daje to ycp = 2h/3 pod powierzchnią, czyli to samo co h/3 nad podstawą.

4Metoda krok po kroku

  1. Narysuj powierzchnię i zaznacz jej głębokość pod swobodnym zwierciadłem: górna krawędź d i wysokość H (lub głębokość h dla ściany).
  2. Znajdź głębokość środka ciężkości yc i pole A.
  3. Użyj gęstości cieczy z zadania: woda 1000, woda morska 1025, olej 880 kg/m³.
  4. Siła: F = ρ·g·yc·A. Podziel przez 1000, aby otrzymać kN.
  5. Jeśli pytają o linię działania: ycp = yc + Ic/(yc·A), mierzoną w dół od swobodnego zwierciadła.

5Przykład krok po kroku

Przejdź przez każdy krok. Spróbuj przewidzieć następny, zanim go odsłonisz.

Przykład krok po kroku

Pionowe prostokątne wrota o szerokości 2 m i wysokości 2 m znajdują się w ścianie zbiornika z wodą, a ich górna krawędź leży 1 m pod powierzchnią. Znajdź wypadkową siłę hydrostatyczną F na wrota.

1

Spójrz na wrota

d = 1 mH = 2 m

Wrota biegną od 1 m do 3 m pod powierzchnią. Ich szerokość w głąb rysunku to b = 2 m.

2

Głębokość środka ciężkości

yc = d + H/2 = 1 + 2/2 = 2 m
3

Powierzchnia

A = H · b = 2 · 2 = 4 m²
4

Ciśnienie w środku ciężkości

pc = ρ·g·yc = 1000 · 9,81 · 2 = 19 620 Pa = 19,62 kPa
5

Siła wypadkowa

F = pc · A = 19,62 · 4 = 78,48 kN
6

Sprawdź wynik

d = 1 mH = 2 mF

Ciśnienie wynosi 9,81 kPa przy górnej krawędzi i 29,43 kPa przy dolnej. Ich średnia to 19,62 kPa, więc siła znów wynosi 19,62 · 4 = 78,48 kN.

Odpowiedź

F = 78,48 kN, działająca poziomo na wrota.

6Typowe błędy

  • Przyłożenie siły w środku ciężkości. Działa niżej: na wysokości h/3 nad podstawą dla ściany, w ycp dla wrót.
  • Mierzenie ȳ od powierzchni, gdy pytają o wysokość nad podstawą, albo odwrotnie.
  • Użycie głębokości górnej lub dolnej krawędzi zamiast głębokości środka ciężkości.
  • Zapomnienie o ½ dla ściany zaczynającej się od powierzchni.
  • Pominięcie g albo użycie gęstości wody dla oleju lub wody morskiej.
Samosprawdzenie Woda ma 6 m głębokości przy pionowej ścianie. Gdzie działa siła wypadkowa?
  1. 2 m nad podstawą
  2. 2 m pod powierzchnią
  3. 3 m nad podstawą
  4. 4 m nad podstawą

Odpowiedź: 2 m nad podstawą. Obciążenie trójkątne działa przez swój środek ciężkości, h/3 = 2 m nad podstawą. 3 m to środek ściany, gdzie siła działałaby tylko wtedy, gdyby ciśnienie było jednostajne.

7Jak wyglądają zadania egzaminacyjne

  • Łatwe: woda przy pionowej ścianie od powierzchni w dół. Znajdź F = ½ρgh²b lub wysokość ȳ = h/3 nad podstawą.
  • Średnie: zanurzone prostokątne wrota w wodzie. Znajdź F = ρg·yc·A, jak w przykładzie.
  • Trudne: te same wrota w oleju, wodzie morskiej lub glicerynie, a czasem głębokość środka parcia ycp.

Dla wrót z przykładu: Ic = 2 · 2³/12 = 1,333 m⁴, więc ycp = 2 + 1,333/(2 · 4) = 2,167 m pod powierzchnią. To 0,167 m poniżej środka ciężkości.

Ucz się krok po kroku w aplikacjiUcz się krok po kroku w aplikacji

Przykłady z rozwiązaniami

Przykład 1Łatwy
h = 4 m

Woda o głębokości 4 m napiera na pionową ścianę. Wyznacz wysokość ȳ nad podstawą, na której działa siła wypadkowa.

h = 4 mb = 2 mρ = 1000 kg/m³g = 9,81 m/s²

Oblicz ȳ (m)

Pokaż podpowiedzi
  1. Ciśnienie w cieczy w spoczynku to p = ρ·g·z.
  2. Wykres ciśnienia na ścianie jest trójkątem. F to jego pole razy szerokość; działa w jego środku ciężkości.
  3. Ciśnienie przy podstawie wynosi 39,24 kPa.
Pokaż odpowiedź i rozwiązanie krok po kroku

Parcie hydrostatyczne: na powierzchnię płaską F = ρ·g·yc·A, gdzie yc to głębokość środka ciężkości. Działa poniżej środka ciężkości, w środku parcia.

h = 4 mF

Ciśnienie rośnie liniowo z głębokością

p = ρ·g·z, od zera na powierzchni do ρ·g·h przy dnie, więc obciążenie ściany ma kształt trójkąta.

pbase = ρgh = 1000·9,81·4 = 39,24 kPa

Linia działania

Obciążenie trójkątne działa w swoim środku ciężkości, na jednej trzeciej wysokości od podstawy
ȳ = h/3 = 4/3 = 1,333 m nad podstawą

Odpowiedź

ȳ = 1,333 m
Przykład 2Średni
zasuwad = 4 mH = 1,5 m

Pionowa prostokątna zasuwa o szerokości 3 m znajduje się w ścianie zbiornika z cieczą (woda), z górną krawędzią 4 m pod powierzchnią. Wyznacz wypadkową siłę parcia hydrostatycznego F na zasuwę.

d = 4 mH = 1,5 mb = 3 mρ = 1000 kg/m³g = 9,81 m/s²

Oblicz F (kN)

Pokaż podpowiedzi
  1. Dla powierzchni płaskiej F = ρ·g·yc·A, gdzie yc to głębokość środka ciężkości zasuwy.
  2. Środek ciężkości prostokąta leży w połowie wysokości: yc = d + H/2.
  3. yc = 4,75 m.
Pokaż odpowiedź i rozwiązanie krok po kroku

Parcie hydrostatyczne na powierzchnię płaską: F = ρ·g·yc·A. Działa w środku parcia, ycp = yc + Ic/(ycA), który zawsze leży poniżej środka ciężkości.

Głębokość środka ciężkości i pole

yc = d + H/2 = 4 + 1,5/2 = 4,75 m
A = H·b = 1,5·3 = 4,5 m²
zasuwad = 4 mH = 1,5 mF

Siła wypadkowa

F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·4,75·4,5 = 209,7 kN

Odpowiedź

F = 209,7 kN
Przykład 3Trudny
zasuwad = 2 mH = 2 m

Pionowa prostokątna zasuwa o szerokości 1,5 m znajduje się w ścianie zbiornika z cieczą (woda morska), z górną krawędzią 2 m pod powierzchnią. Wyznacz głębokość ycp środka parcia pod powierzchnią.

d = 2 mH = 2 mb = 1,5 mρ = 1025 kg/m³g = 9,81 m/s²

Oblicz ycp (m)

Pokaż podpowiedzi
  1. Dla powierzchni płaskiej F = ρ·g·yc·A, gdzie yc to głębokość środka ciężkości zasuwy.
  2. Użyj ycp = yc + Ic/(yc·A) z Ic = bH³/12.
  3. yc = 3 m.
Pokaż odpowiedź i rozwiązanie krok po kroku

Parcie hydrostatyczne na powierzchnię płaską: F = ρ·g·yc·A. Działa w środku parcia, ycp = yc + Ic/(ycA), który zawsze leży poniżej środka ciężkości.

Głębokość środka ciężkości i pole

yc = d + H/2 = 2 + 2/2 = 3 m
A = H·b = 2·1,5 = 3 m²
zasuwad = 2 mH = 2 mF

Siła wypadkowa

F = ρ·g·yc·A = 1025·9,81·3·3 = 90,5 kN

Środek parcia

Ciśnienie rośnie z głębokością, więc wypadkowa działa poniżej środka ciężkości.

Ic = b·H³/12 = 1,5·2³/12 = 1 m⁴
ycp = yc + Ic/(yc·A) = 3 + 1/(3·3) = 3,111 m

Odpowiedź

ycp = 3,111 m

Pytania i odpowiedzi

Parcie hydrostatyczne: co to jest?

Woda w spoczynku napiera na każdą powierzchnię, której dotyka: ścianę zbiornika, zaporę, wrota śluzy. Ten nacisk to siła hydrostatyczna.

Im głębiej, tym mocniej woda napiera. Czujesz to w uszach, gdy nurkujesz na dno basenu.

Parcie hydrostatyczne: jak rozwiązywać zadania krok po kroku?

Parcie hydrostatyczne: na powierzchnię płaską F = ρ·g·yc·A, gdzie yc to głębokość środka ciężkości. Działa poniżej środka ciężkości, w środku parcia.

Parcie hydrostatyczne: co ćwiczysz?
  • Łatwy: ściana pionowa
  • Średni: zanurzona zasuwa
  • Trudny: środek parcia

Każde zadanie ma nowe wartości, więc uczysz się metody, a nie odpowiedzi. Utknąłeś? Najpierw otwórz małą podpowiedź, a pełne wyjaśnienie dopiero wtedy, gdy go potrzebujesz.

Jak wygląda ćwiczenie

  • Każde zadanie ma nowe wartości, więc uczysz się metody, a nie odpowiedzi.
  • Utknąłeś? Najpierw otwórz małą podpowiedź, a pełne wyjaśnienie dopiero wtedy, gdy go potrzebujesz.
  • Twoje postępy, błędy i zapisane zadania są zachowywane, więc możesz je powtórzyć przed egzaminem.

Tematy przed tym i po nim

Potem przejdź do

Kalkulatory

Przedmioty z tym tematem

Więcej tematów: Budownictwo

Karta pracy do druku