【2-7】如图所示,底面积为b×b=0.2m×0.2m的方口容器,自重G=40N,静止时装水高度h=0.15m,设容器在荷重W=200N的作用下沿平面滑动,容器底与平面之间的摩擦系数f=0.3,试求保证水不能溢出的容器的最小高度。
【解】解题的关键在于求出加速度a。如果已知加速度,就可以确定容器里水面的斜率。 考虑水、容器和重物的运动。系统的质量M和外力分别为
因此,系统的重力加速度为
代入数据得a = 5.5898 m/s2
容器内液面的方程式为
坐标原点放在水面(斜面)的中心点,由图可见,当x=-b/2时,z=H-h,代入上式,
可见,为使水不能溢出,容器最小高度为0.207m。
【2-8】如图所示,液体转速计由一个直径为d1的圆筒、活塞盖以及与其连通的直径为d2两支竖直支管构成。转速计内装液体,竖管距离立轴的距离为R,当转速为ω时,活塞比静止时的高度下降了h,试证明:
【解】活塞盖具有重量,系统没有旋转时,盖子处在一个平衡位置。旋转时,盖子下降,竖管液面上升。
设系统静止时,活塞盖如实线所示,其高度为h1,竖管的液面高度设为H1。此时,液体总压力等于盖子重量,设为G:
旋转时,活塞盖下降高度为h,两支竖管的液面上升高度为H。 液体压强分布的通式为
将坐标原点放在活塞盖下表面的中心,并根据竖管的液面参数确定上式的积分常数C。当r=R,z=H1-h1+H + h时,p=pa,
因此,液体压强分布为
旋转时,液体压力、大气压力的合力应等于盖子重量,即
因盖子下表面的相对压强为
代入G式并进行积分,得到
代入上式,化简得
由图中看出,活塞盖挤走的液体都进入两支竖管,因此
所以有
【2-9】如图所示,U形管角速度测量仪,两竖管距离旋转轴为R1和R2,其液面高差为Δh,试求ω的表达式。如果R1=0.08m,R2=0.20m,Δh=0.06m,求ω的值。
【解】两竖管的液面的压强都是pa(当地大气压),因而它们都在同一等压面上,如图虚线所示。设液面方程为
不妨设竖管中较低的液面到转盘的高度差为h。现根据液面边界条件进行计算。 当r=R1,z=h及r=R2,z=h+Δh时
;
两式相减得
所以
【2-10】航标灯可用如图所示模型表示:灯座是一个浮在水面的均质圆柱体,高度H=0.5m,底半径R=0.6m,自重G=1500N,航灯重W=500N,用竖杆架在灯座上,高度设为z。若要求浮体稳定,z的最大值应为多少?
【解】浮体稳定时要求倾半径r大于偏心距e,即r>e
先求定倾半径r=J/V,浮体所排开的水的体积V可根据吃水深度h计算。
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