Chương 7: Lực tác dụng lên vật cản ppt

1
1
THỦY LỰC ðẠI CƯƠNG
Chương 7: Lực tác dụng lên vật cản
PGS. TS. Nguyễn Thống
TRƯỜNG ðẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM
Khoa KTXD - Bộ mơn KTTNN
Giảng viên: PGS. TS. NGUYỄN THỐNG
E-mail: or
Web: />T
é
l
.
(08) 38 640 979
-
098 99 66 719
2
THỦY LỰC ðẠI CƯƠNG
Chương 7: Lực tác dụng lên vật cản
PGS. TS. Nguyễn Thống
NỘI DUNG MƠN HỌC
Chương 1. Đặc tính chất lỏng.
Chương 2. Thủy tỉnh học.
Chương 3. Cơ sở động lực học chất lỏng.
Chương 4. Đo đạc dòng chảy.
Chương 5. Tổn thất năng lượng.
Chương 6. Dòng chảy có áp trong mạng lưới ống.
Chương 7. Lực tác dụng lên vật cản.
Chương 8. Dòng chảy ổn đònh đều trong kênh.
Chương 9
(*)

. Đập tràn.
Chương 10
(*)
. Trạm thủy điện.
(*) : Thủy lực cơ sở mở rộng
3
3
THỦY LỰC ðẠI CƯƠNG
Chương 7: Lực tác dụng lên vật cản
PGS. TS. Nguyễn Thống
NO
NO
Ä
Ä
I DUNG
I DUNG






T
T
í
í
nh
nh
toa
toa

ù
ù
n
n
l
l
ự
ự
c
c
ta
ta
ù
ù
c
c
du
du
ï
ï
ng
ng
cu
cu
û
û
a
a
cha
cha

á
á
t
t
lo
lo
û
û
ng
ng
chuye
chuye
å
å
n
n
đ
đ
o
o
ä
ä
ng
ng
khi
khi
ga
ga
ë
ë

p
p
va
va
ä
ä
t
t
ca
ca
û
û
n
n
co
co
á
á
đ
đ
ònh
ònh
.
.
4
THỦY LỰC ðẠI CƯƠNG
Chương 7: Lực tác dụng lên vật cản
PGS. TS. Nguyễn Thống
GIỚI THIỆU HIỆN TƯNG
F= ?

V
Vật cản đáy
Lực T do ma sát giữa
đáy sơng & vật cản
5
THỦY LỰC ðẠI CƯƠNG
Chương 7: Lực tác dụng lên vật cản
PGS. TS. Nguyễn Thống
GIỚI THIỆU HIỆN TƯNG
V
2
d=0.2m
V=10m/s
V
Vật cản
cố đònh
V
2
Tia nước
tròn
Lực F=???

 lực tia nước
Ta
ù
c
du
ï
ng
lên

va
ä
t
ca
û
n
F
6
THỦY LỰC ðẠI CƯƠNG
Chương 7: Lực tác dụng lên vật cản
PGS. TS. Nguyễn Thống
ÔN
- Xét khối chất điểm m có vận tốc V. Động
lượng của nó được đònh nghóa :
ĐỊNH LÝ ĐỘNG LƯNG
- Độ biến thiên động lượng của 1 hệ thống sẽ
bằng xung lượng nhận được trong cùng thời
gian:
Vm
r
F
r
Tổng ngoại lực tác dụng lên h/thống
{
{
tFVmd ∆= .)(
r
r
Xung lượngBiến thiên động lượng
2

7
7
THỦY LỰC ðẠI CƯƠNG
Chương 7: Lực tác dụng lên vật cản
PGS. TS. Nguyễn Thống
THI
THI
Ế
Ế
T L
T L
Ậ
Ậ
P
P
PHƯƠNG TRÌNH
PHƯƠNG TRÌNH
ð
ð
Ộ
Ộ
NG LƯ
NG LƯ
Ợ
Ợ
NG
NG
8
THỦY LỰC ðẠI CƯƠNG
Chương 7: Lực tác dụng lên vật cản

PGS. TS. Nguyễn Thống
Xét dòng nguyên tố sau:
Áp dụng phương trình động lượng cho dòng nguyên tố:
Chú ý: Đoạn dòng chảy giới hạn 1
’
-1
’
và 2-2 có động
lượng giống nhau.
1
1(t)
2
2
u
1

u
2

dt.Fdu)dl.d(u)dl.d(
111222
r
r
r
=ωρ−ωρ
X
2
’
2
’

1
’
(t+dt)
1
’
dl
1
Y
dω
ωω
ω
2
dl
2

m
9
THỦY LỰC ðẠI CƯƠNG
Chương 7: Lực tác dụng lên vật cản
PGS. TS. Nguyễn Thống
Chú ý:
Xác định các số hạng trong phương trình như
sau:
uVu
r
r
r
∆±=
dt.Fdu)dtu.d(u)dtu.d(
111222

r
r
r
=ωρ−ωρ
dtFdudQdtudQdt .)()(
12
r
r
r
=ρ−ρ
[
]
)1(FduudQ
12
r
r
r
=−
ρ
ρρ
ρ
10
THỦY LỰC ðẠI CƯƠNG
Chương 7: Lực tác dụng lên vật cản
PGS. TS. Nguyễn Thống
Giải thích:
u
V
∆
∆∆

∆u
dQ
Giá trị vận tốc
trung bình
11
THỦY LỰC ðẠI CƯƠNG
Chương 7: Lực tác dụng lên vật cản
PGS. TS. Nguyễn Thống
(
)
∫ ∫∫
ω ωω
ω∆±ρ=ωρ=ρ duVduudQ
2
2
Ta có:
(
)
∫∫∫
ωωω
ω∆ρ+ω∆±ρ+ωρ= duduVdV
2
2
.2
Vì:
(
)
∫ ∫∫
ω ωω
ω∆±=ω∆±=ω= duQduVudQ .

0=ω∆⇒
∫
ω
ud
12
THỦY LỰC ðẠI CƯƠNG
Chương 7: Lực tác dụng lên vật cản
PGS. TS. Nguyễn Thống
(
)










ω
ω∆
+ωρ=ρ
∫
∫
ω
ω
2
2
2

1
V
du
VudQ
Ta có:
VQVudQ αρ=ωαρ=ρ⇒
∫
ω
2
[
]
05,102,1
÷
∈
α
α 

 Hệ số sữa chửa động lượng.
nếu khơng đề cập thường lấy bằng 1.
3
13
THỦY LỰC ðẠI CƯƠNG
Chương 7: Lực tác dụng lên vật cản
PGS. TS. Nguyễn Thống
Tích phân (1) lên tồn bơ
dòng chảy 

 Phương trình
động lượng (dưới dạng
vectơ):

∑
=ρα−ρα
i
i1122
FVQVQ
r
r
r
ðộng lượng dòng chảy
ra khỏi m/c ướt 2-2
14
THỦY LỰC ðẠI CƯƠNG
Chương 7: Lực tác dụng lên vật cản
PGS. TS. Nguyễn Thống
- Phương trình động lượng theo phương X:
- Phương trình động lượng theo phương Y:
)1(FQVQV
i
i,XX11X22
∑
=ρα−ρα
)2(FQVQV
i
i,YY11Y22
∑
=ρα−ρα
15
THỦY LỰC ðẠI CƯƠNG
Chương 7: Lực tác dụng lên vật cản
PGS. TS. Nguyễn Thống

V
1
, V
2
: vận tốc trung bình của dòng chảy tại
m/cắt ướt 1-1 và 2-2.
V
1x
, V
2x
: hình chiếu lên phương X của vận
tốc V
1
và V
2
.
V
1y
, V
2y
: hình chiếu lên phương Y của vận
tốc V
1
và V
2
.
: tổng hình chiếu lên
phương X, Y của tất cả ngoại lực tác dụng
lên khối chất lỏng giới hạn bởi 1-1 và 2-2.
x,i y,i

i i
F , F
∑ ∑
16
THỦY LỰC ðẠI CƯƠNG
Chương 7: Lực tác dụng lên vật cản
PGS. TS. Nguyễn Thống
CÁC BƯỚC ÁP DỤNG PHƯƠNG TRÌNH
ðỘNG LƯỢNG
1. Chọn 2 mắt cắt ướt (1-1) & (2-2) & hệ trục
toạ độ XOY.
2. Lần lượt áp dụng phương trình động
lượng HÌNH CHIẾU lên phương X (khi
cần xác định lực tác dụng lên phương X)
và tương tự cho phương Y.
17
THỦY LỰC ðẠI CƯƠNG
Chương 7: Lực tác dụng lên vật cản
PGS. TS. Nguyễn Thống
Phương X:
Phương Y:
3. Xác định các giá trị trong phương
trình nhờ vào các số liệu & giả thiết
(nếu có).
)1(FQVQV
i
i,XX11X22
∑
=ρα−ρα
)2(FQVQV

i
i,YY11Y22
∑
=ρα−ρα
18
THỦY LỰC ðẠI CƯƠNG
Chương 7: Lực tác dụng lên vật cản
PGS. TS. Nguyễn Thống
4. Giải phương trình thu gọn nếu nó
còn 1 ẩn số.
Chú ý: Nếu còn 2 ẩn số có thể xem
xét bổ sung phương trình liên
tục.
5. Áp dụng ngun lý lực & phản
lực để xác định lực của nước tác
dụng lên vật cản cố định.
4
19
THỦY LỰC ðẠI CƯƠNG
Chương 7: Lực tác dụng lên vật cản
PGS. TS. Nguyễn Thống
CHÚ Ý


 Trong bước 3, “TƯỞNG
TƯỢNG” CƠ LẬP KHỐI CHẤT
LỎNG GIỚI HẠN BỞI (1-1) & (2-
2) 

 XEM XÉT TẤT CẢ CÁC

NGOẠI LỰC TÁC DỤNG LÊN NĨ
! 

 XEM XÉT HÌNH CHIẾU LÊN
X & Y


 Nếu khơng có ghi chu, lấy α
αα
α=1.
20
THỦY LỰC ðẠI CƯƠNG
Chương 7: Lực tác dụng lên vật cản
PGS. TS. Nguyễn Thống
P
1
A B
C D
P
2
H
1
H
2
V
2
V
1
X
Y

1
1
2
2
T
X
Ví dụ: Cho một hiện tượng như hình sau. Tính lực
tác dụng của dòng nước lên vật cản ABCD. Cho
biết H
1
=3.2m, H
2
=3.0m. Lưu lượng qua kênh
Q=15m
3
/s. Kênh chữ nhật rộng b=3m.
Q
G
V
2
21
THỦY LỰC ðẠI CƯƠNG
Chương 7: Lực tác dụng lên vật cản
PGS. TS. Nguyễn Thống
Bước 1: Chọn 2 mặt cắt ướt & hệ
trục XOY như hình.
Bước 2: Áp dụng phương trình động
lượng theo phương X:
2x 1x x,i
i

Q(V V ) F
ρ
− =
∑
(3)
22
THỦY LỰC ðẠI CƯƠNG
Chương 7: Lực tác dụng lên vật cản
PGS. TS. Nguyễn Thống
Bước 3: Xác đònh các giá trò trong pt:
Ta có: V
1
=Q/(b*H
1
)
V
2
=Q/(b*H
2
)
Lực tương đương tác dụng lên các mặt
cắt ướt (áp lực thủy tỉnh, Ch.2):
2
1
1
H
P g b
2
ρ
=

2
2
2
H
P g b
2
ρ
=
23
THỦY LỰC ðẠI CƯƠNG
Chương 7: Lực tác dụng lên vật cản
PGS. TS. Nguyễn Thống
Ta có: V
1x
=V
1
; V
2x
=V
2
(dòng chảy nằm
ngang)
Xét hình chiếu lực:
với T
x
là hình chiếu lên phương X của lực
do khối ABCD tác dụng lên khối nước
g/h bởi 1-1 và 2-2.
x21
i

i,X
TPPF +−=
∑
24
THỦY LỰC ðẠI CƯƠNG
Chương 7: Lực tác dụng lên vật cản
PGS. TS. Nguyễn Thống
Bước 4: Thay tất cả vào (3):
Áp dụng bằng số ta có: T
x
= - 17037,5 N
Vì T
x
< 0 

 lực của khối cố đònh tác dụng lên
khối nước NGƯC chiều X.
)(
1221
VVQTPP
x
−=+−
ρ
b
H
gb
H
gVVQT
x
2

2
)(
2
2
2
1
12
ρρρ
+−−=
5
25
THỦY LỰC ðẠI CƯƠNG
Chương 7: Lực tác dụng lên vật cản
PGS. TS. Nguyễn Thống
Bước 5: Áp dụng nguyên lý lực &
phản lực, lực của khối nước tác
dụng lên vật cản chiếu lên phương
X:


 T
x
*
CÙNG chiều với X và có giá
trò là + 17037,5N.
Áp dụng tương tự cho phương Y 


T
y

*
=0.
N5.17037TT
x
*
x
=−=
26
THỦY LỰC ðẠI CƯƠNG
Chương 7: Lực tác dụng lên vật cản
PGS. TS. Nguyễn Thống
Bài tập 1: Xác đònh và vẽ lực F(F
X
,F
Y
) của tia nước
AB có tiết diện S tác dụng lên gối cố đònh nằm
ngang. Hiện tượng xảy ra trong không khí:
A
B
S=0.005m
2
Q=40 l/s
Q
X
Y
A
B
1
1

2
2
Chú ý: Tia nước
có tiết diện không
đổi.
Gối cố đònh
30
0
27
THỦY LỰC ðẠI CƯƠNG
Chương 7: Lực tác dụng lên vật cản
PGS. TS. Nguyễn Thống
Bài tập 2: Lấy lại ví dụ trước nhung bây giờ dòng
chảy AB là có áp và áp suất dư tại A&B là 0.5at.
A
B
30
0
S
AB
=0.005m
2
Q=40 l/s
Q
X
Y
1
1
2
2

Chú ý: Tia nước
có tiết diện không
đổi.
Gối cố đònh
A
B
28
THỦY LỰC ðẠI CƯƠNG
Chương 7: Lực tác dụng lên vật cản
PGS. TS. Nguyễn Thống
V
2
V
Vật cản
cố đònh
V
2
Bài tập 3: Tia nước nằm ngang có đường kính
d. Xác đònh lực F của tia nước tác dụng lên
vật cản cố đònh đặt thẳng góc tia nước đến
.
Bỏ qua trọng lượng nước:
Tia nước
tròn
X
Y
d=0.1m
V=10m/s
F
29

THỦY LỰC ðẠI CƯƠNG
Chương 7: Lực tác dụng lên vật cản
PGS. TS. Nguyễn Thống
V
2
V
Vật cản
cố đònh
V
2
Hướng dẫn: Chọn các mặt cắt ướt như sau:
(Chú ý: Mặt 2-2 là một mặt cong theo “chu
vi” vật cản cố đònh).
Tia nước
tròn
X
Y
1
1
2 2
2 2
30
THỦY LỰC ðẠI CƯƠNG
Chương 7: Lực tác dụng lên vật cản
PGS. TS. Nguyễn Thống
Bài tập 4: Tia nước chử nhật rộng b=1m, dày
e=0.25m tác dụng lên tấm nghiêng cố đònh
như hình. Xác đònh lực tia nước tác dụng lên
tấm nghiêng. Bỏ qua trọng lượng nước:
Lớp nước

X
Y
V=8m/s
e=0,25m
α
αα
α=30
0
V
Vật cản cố đònh
6
31
THỦY LỰC ðẠI CƯƠNG
Chương 7: Lực tác dụng lên vật cản
PGS. TS. Nguyễn Thống
Bài tập 5: Một vòi nước chữa cháy AB đặt
nằm ngang có d
1
=16cm và d
2
=4cm như
hình vẽ. Áp suất dư của nước trong ống là
p=4at.
X
Y
k/khí
d
1
d
2

Đầu vòi nước
chữa cháy
A
B
Ống mềm
dẫn nước
p
Q
Gối cố
định
32
THỦY LỰC ðẠI CƯƠNG
Chương 7: Lực tác dụng lên vật cản
PGS. TS. Nguyễn Thống
1. Giả thiết bỏ qua tổn thất
năng lượng trong vòi, tính
lưu lượng Q qua vòi.
2. Tính lực của nước tác
dụng lên vòi (gối cố định).
33
THỦY LỰC ðẠI CƯƠNG
Chương 7: Lực tác dụng lên vật cản
PGS. TS. Nguyễn Thống
Bài tập 6: Cho sơ đồ như hình vẽ. Tia nước ra khỏi
ống là thẳng đứng. Cho biết tấm AB có khối
lượng m=3kg và nằm ngang. Hồ chứa nước có
tiết diện rất lớn so với tiết diện ống. Lấy
g=10m/s
2
. Tổn thất năng lượng trong đường ống

theo Manning có λ=8*10
-3
. Đường ống có L=40m,
D=40mm.
a. Tính vận tốc V tia nước ra khỏi ống và tác dụng
vào AB để AB cân bằng dưới tác dụng của trọng
lượng bản thân và lực tác dụng của tia nước.
b. Tính h để có được vận tốc V yêu cầu nói trên.
34
THỦY LỰC ðẠI CƯƠNG
Chương 7: Lực tác dụng lên vật cản
PGS. TS. Nguyễn Thống
VV
h
Tấm AB
cân bằng
Sơ đồ:
V
A
B
g
35
THỦY LỰC ðẠI CƯƠNG
Chương 7: Lực tác dụng lên vật cản
PGS. TS. Nguyễn Thống
VV
h
Tấm AB
cân bằng
Hướng dẫn a (áp dụng p/t động lượng ph. Y):

V
1 12
2
2
Y
X
2
36
THỦY LỰC ðẠI CƯƠNG
Chương 7: Lực tác dụng lên vật cản
PGS. TS. Nguyễn Thống
VV
h
Tấm AB
cân bằng
Hướng dẫn b (áp dụng p/t Bernoulli):
V
1
1
2
2
Y
X
7
37
THỦY LỰC ðẠI CƯƠNG
Chương 7: Lực tác dụng lên vật cản
PGS. TS. Nguyễn Thống
Bài tập 7: Tia nước tròn tác dụng lên cung tròn AB, có
vận tốc V=60m/s, d=10cm.

a. Xác đònh lực F của tia nước tác dụng lên AB theo α
αα
α.
b. Dạng của AB (góc α) để F cực đại (Tuabin Pelton).
V
V
α
αα
α
0
X
Y
A
B
Tấm cố đònh
38
THỦY LỰC ðẠI CƯƠNG
Chương 7: Lực tác dụng lên vật cản
PGS. TS. Nguyễn Thống
Hướng dẫn: Chọn các mặt cắt ướt như hình vẽ:
Gọi F
X
, F
Y
là hình chiếu lần lượt lên phương X
và Y của lực F, là lực tấm AB tác dụng lên
khối chất lỏng g/h bởi (1-1) & (2-2).
V
V
α

αα
α
0
X
Y
A
B
Tấm cố đònh
1
1
2
2
39
39
THỦY LỰC ðẠI CƯƠNG
Chương 7: Lực tác dụng lên vật cản
PGS. TS. Nguyễn Thống
HE
HE
Á
Á
T CH
T CH
Ư
Ư
ƠNG
ƠNG