CN100439888C - 1/4柱面静水面压测量仪 - Google Patents

1/4柱面静水面压测量仪 Download PDF

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CN100439888C CNB2003101065289A CN200310106528A CN100439888C CN 100439888 C CN100439888 C CN 100439888C CN B2003101065289 A CNB2003101065289 A CN B2003101065289A CN 200310106528 A CN200310106528 A CN 200310106528A CN 100439888 C CN100439888 C CN 100439888C
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Abstract

本发明是1/4柱面静水面压测量仪，其结构是上部水箱设在贮水箱的支座上，贮水箱内装有水泵，水泵通过进水管将贮水箱内的水送到上部水箱内，上部水箱与贮水箱间有出水管，上部水箱内设有待测的柱面的组合体(压力体、投影体)，上部水箱与带有刻度标记的杠杆间有可左右移动的支点轴体，柱面的组合体与带有刻度标记的杠杆滑动接触，并能左右前后移动。带有刻度标记的杠杆的左侧上有自行设定位置滑块，带有刻度标记的杠杆的右侧上有调平块，带有刻度标记的杠杆的左端设有砝码垂杆。优点：可测1/4柱面所受的水压力，避免了以往求不规则表面所受水压力的繁杂近似计算(有限元法、差分)，解决了工程上的难题。用于教学可培养学生多元思维。

Description

1/4柱面静水面压测量仪
技术领域
本发明涉及的是在静水中测量1/4柱面静水面压测量仪，属于水力学技术领域。
背景技术
现有技术在静水中只能测量垂直放置的矩形平面的水平压力。
发明内容
本发明的目的在于针对上述存在的缺陷，提出一种在静水中可测水对1/4柱面的压力(大小、方向、作用点)。
本发明的技术解决方案：其结构是上部水箱设在贮水箱的支座上，贮水箱内装有水泵，水泵通过进水管将贮水箱内的水送到上部水箱内，上部水箱与贮水箱间有出水管，上部水箱内设有待测的柱面的组合体(压力体、投影体)，上部水箱与带有刻度标记的杠杆间有可左右移动的支点轴体，柱面的组合体与带有刻度标记的杠杆滑动接触，且两者间能左右前后移动。带有刻度标记的杠杆的左侧上有自行设定位置滑块，带有刻度标记的杠杆的右侧上有调平块，带有刻度标记的杠杆的左端设有法码垂杆。
本发明的优点：可测1/4柱面所受的静水水压力，避免了以往求不规则表面所受水压力的繁杂近似计算(有限元法、差分)，解决了工程上的难题。利用矢量分解，力矩替代、力偶、力的转换，用于教学可培养学生多元思维，改变了以往教学实验中，只测水对平面的水平压力单一性，丰富完善静水压力内容，不仅适用大学水利类专业，亦适用中学物理实验。
附图说明
附图1是本发明的实施例结构示意图。
附图2是取组合体的压力体为扇形体的实施例示意图(1/4圆柱体)，同时又可当作投影体。
附图3是组合体为投影体的水平压力F1作用在平面abcd的实施例示意图(图中的R是水对柱面的总压力)。
附图4是作用在柱面bchE水平压力与作用在平面abcd的水平压力的实施例示意图。
附图5是柱面Ebch垂直压力(压力体)实施例示意图。
图中的1是贮水箱、2是水泵、3是出水管、4是进水管、5是支座、6是柱面的组合体、7是上部水箱、8砝码垂杆、9是支点轴体、10是调平块、11是带有刻度标记的杠杆，abcd是平面、Ebch、adGF是柱面。
具体实施方式
对照附图1，上部水箱7设在贮水箱1的支座5上，贮水箱1内装有水泵2，水泵2通过进水管4将贮水箱1内的水送到上部水箱7内，上部水箱7与贮水箱2间有出水管3，上部水箱7内设有待测的柱面的组合体6，上部水箱7与带有刻度标记的杠杆11间有可移动的支点轴体9，柱面的组合体6与带有刻度标记的杠杆11滑动接触，带有刻度标记的杠杆11的左侧上有自行设定位置滑块L，带有刻度标记的杠杆11的右侧上有调平块10，带有刻度标记的杠杆11的左端设有砝码垂杆8。
工作过程：用调平块10使带有刻度标记的杠杆11处于水平状态，并记录柱面的组合体6的位置(之前要先调支座5，使上部水箱7水平)。接通电源，使水泵2将储水箱1的水经进水管4进入上部水箱7，待一定水位后，关闭进水管4上的阀门。
实测程序(以1/4柱面为例)，
(1)调节支座5，使上部水箱7底部水准泡居中，上部水箱7处于水平状态。
(2)柱面的组合体6在带有刻度的杠杆11上滑动，设定滑动位置L1、L2。设定滑动位置L1(距支点轴体)＝15cm，在支点轴体9左边，调平块10在支点轴体9右边，距支点轴体9为13cm，设定滑动位置L2(距支点轴体)＝17cm，在支点左边，调平块10在支点右边16cm处。此时，带有刻度的杠杆11处于水平状态。
(3)打开进水管4上的阀门，将水浸在柱面的组合压力体6的9cm处，
此时在设定滑动位置L1条件下，通过在法码垂杆8加砝码G1，使带有刻度的杠杆11水平，记入已知的砝码重量为G1，因组合压力体的水平方向被水包围，水平合力为零，如图4所示。于是便可替换成只有铅直力作用于组合压力体，如图5所示。G10(压力体)×X(铅直力距支点轴体的力臂)＝G1×27.5(砝码垂杆8距支点轴体的力臂)(I)
又在L2条件下，水仍在组合体6的9cm浸线处，通过在法码垂杆8再加砝码G2，使带有刻度的杠杆11水平，则有G10×(X+2)＝(G1+G2)×27.5(II)
将(I)式代入(II)式得：G10＝27.5×G2/2
(4)取所求柱面的水平投影为铅直面的组合投影体，对照图2，组合投影体的表面由铅直面abcd，垂直于铅直面的柱平面EbaF及hcdG(柱平面的边界是铅直面的边界)，及以支点轴体为转轴、以过铅直面的最底点且平行于转轴的直线为母线所形成的旋转面被柱平面EbaF及hcdG所割部分为组合投影体的另一面(设此面为柱面Ebch)。此时，组合投影体在设定滑动位置L1条件下，水仍浸在组合投影体的9cm处，柱面Ebch所受的水平力等于铅直面abcd所受的水平力F1，柱平面EbaF及hcdG所受的铅垂力为w1，组合投影体所受的铅垂力为w2，柱面Ebch所受的铅垂力为w3。则w1＝w2-w3w2，w3通过步骤(3)可求。
w1×L10(w1对支点的力臂)+F1×Y(Y是F1对支点的力臂)＝G3×27.5(III)
L10可求，Y(可通过对单独的铅直面abcd，移加上下移动的水平轴，9cm的水对铅直面abcd的合力是否超过水平轴使铅直面abcd转动来求)，G3为使杠杆11平衡在砝码垂杆8加的砝码重量.
而实测例子中w1＝0，Y＝6代入(III)式F1＝G3×27.5/6
(5)当所求柱面的水平力F1在铅直面abcd的垂直面亦有水平分力时，可重复过程(4)，此时求对所求柱面旋转90°的水平投影面所受的水平力。
(6)组合体及支点轴体的前后左右移动可判定F1与G10是否作用在同一个平面内。
(7)由压力体G10(垂直方向)和柱面Ebch水平压力F1可求合力(R1)及作用点R1 2＝G10 2+F1 2
(8)可将实测结果与理论值比较，评定仪器精度。

Claims (1)

1、1/4柱面静水面压测量仪，其特征是上部水箱设在贮水箱(7)的支座(5)上，贮水箱(7)内装有水泵(2)，水泵(2)通过进水管(4)将贮水箱(1)内的水送到上部水箱(7)内，上部水箱(7)与贮水箱(1)间有出水管(3)，上部水箱(7)内设有待测的柱面的组合体(6)，上部水箱(7)与带有刻度标记的杠杆(11)间有可左右移动的支点轴体(9)，柱面的组合体(6)与带有刻度标记的杠杆(11)滑动接触，并能左右前后移动，带有刻度标记的杠杆(11)的左侧上有自行设定位置滑块(L)，带有刻度标记的杠杆的右侧上有调平块(10)，带有刻度标记的杠杆(11)的左端设有砝码垂杆(8)。
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