Uploaded by Ali Nabil Abdul Ghafoor

5 2545 244(1)

advertisement
‫التجربة رقم (‪ -: )2‬حساب مركز الضغط على سطح مُسْتَوٍ‪.‬‬
‫المقدمة‪-:‬‬
‫إنَّ تأثٌرات الضغوط الناتجة من وزن المائع الساكن ٌجب أن ُت َ‬
‫ؤخذ بالحُسبان عند تصمٌم‬
‫التراكٌب الغاطسة مثل السدود والغواصات والبوابات وٓٓٓإلخ كما ٌ َُع ُّد التعرُّ ف على نقاط ت َمرْ ُكز‬
‫الضغوط وتوزٌعها على األشكال الهندسٌة من المواضٌع المُهمَّة فً التطبٌقات الهندسٌَّة التً ٌمكن من‬
‫خاللها تفادي فشل تلك السدود والبوابات التً تستخدم ألغراض السقً ورفع منسوب المٌاه ألجل‬
‫االستفادة من طاقة المٌاه الكامنة‪.‬‬
‫الغرض من التجربة‪-:‬‬
‫حساب القوة و توزٌع الضغط ومعرفة مركز هذا القوة الناتجة من تأثٌر ضغط سائل ساكن‬
‫محتجز بواسطة بوابة مائلة بزاوٌة مقدارها (‪ (θ‬كما فً الشكل (ٔ‪ .)ٕ-‬البوابة هً التً ِّ‬
‫تمثل السطح‬
‫المستوي الذي ندرس توزٌع الضغط علٌه ومعرفة مركز القوة المحصلة الناتجة منه‪.‬‬
‫‪X‬‬
‫‪O,X‬‬
‫‪O‬‬
‫)‪h=ysin(θ‬‬
‫‪hp‬‬
‫‪θ‬‬
‫‪hc‬‬
‫‪X‬‬
‫‪y‬‬
‫‪yc‬‬
‫‪F‬‬
‫‪dy‬‬
‫‪C‬‬
‫‪yp‬‬
‫‪P‬‬
‫الشكل (‪ -:)2-1‬بوابة مائلة تحت ضغط المائع‬
‫نظرية التجربة‪-:‬‬
‫من المعلوم بأنَّ الضغط عند أي نقطة فً مائع ساكن ٌكون نفسه فً جمٌع اإلتجاهات وعالو ًة‬
‫على ذلك فإنَّ القوى الناتجة من الضغط المُسلَّط من قبل مائع ساكن تكون عمودٌة على سطوح الجدران‬
‫والسطوح السفلى لحاوٌات المائع واألجسام الغاطسة فٌه‪ .‬لقد ثبت بأن ضغط السائل ٌتغٌَّر مع العمق‬
‫(‪ )depth‬بحٌث إنَّ قٌمته فً أي عمق تساوي حاصل ضرب ذلك العمق ‪ h‬بالكثافة الوزنٌَّة للمائع ‪‬‬
‫أي أنَّ عالقة الضغط مع العمق خالل المائع خطٌة وكما ٌلً‪:‬‬
‫‪P = h‬‬
‫)‪------------- (1-2‬‬
‫‪1‬‬
‫ومن المُناسب أن ٌُحسب العمق بداللة المسافة من سطح السائل إلى ذلك العمق على إمتداد خط مٌالن‬
‫السطح المستوي‪ ,‬حسب المعادلة التالٌة (أُنظر إلى الشكل (ٔ))‪-:‬‬
‫)‪h = ysin(θ‬‬
‫)‪------------- (2-2‬‬
‫مستو (أو جسم غاطس) بأخذ التكامل للقوة‬
‫سطح‬
‫ٌُمكن حساب المُحصِّلة ال ُكلٌِّة للقوة المؤثرة على‬
‫ٍ‬
‫ٍ‬
‫الجزئٌّة ‪ dF‬المؤثرة على مساحة جزئٌّة من السطح المستوي ‪ , dA‬وهذا ٌعنً بأن المُحصِّلة ال ُكلٌِّة‬
‫للقوة تساوي مجموع مركبات القوّ ة المؤثرة على كل المساحات‪ ,‬أي‬
‫)‪-------------(3-2‬‬
‫‪F =∫ dF = P dA = ∫hdA = sin(θ)∫ydA‬‬
‫إنَّ المقدار ‪ٌ ∫ydA‬مثل العزم األول للمساحة وهو ٌساوي ‪ ycA‬حٌث أن ‪ yc‬هو البعد من نقطة‬
‫األصل ‪ O‬إلى مركز ثقل الجسم المغمور (أي أن هذه المسافة ُتحسب من السطح الحر للسائل إلى مركز‬
‫ثقل البوابة على إمتداد خط مٌالن السطح المستوي)‪.‬‬
‫وبذلك ُتحسب قٌمة المُحصِّلة ال ُكلٌِّة للقوة المؤثرة على سطح مستو من المعادلة التالٌة‪-:‬‬
‫‪F =yc sin(θ)A =hcA‬‬
‫)‪-------------(4-2‬‬
‫حٌث أن ‪ِّ hc‬‬
‫تمثل البعد العمودي من السطح الحر إلى مركز ثقل الجسم المغمور ‪.‬‬
‫القوة التً ُتحسب من المعادلة )‪ (3-2‬هً فً الحقٌقة م َُحصِّلة لعدد غٌر مُح َّدد من‬
‫إنَّ م َُحصِّلة َّ‬
‫القوة على السطح‬
‫القوى المؤثرة على سطح مستوي ومن المُهم جداً أن نعرف أٌن تقع نقطة تأثٌر هذه َّ‬
‫القوة حول‬
‫المستوي (وهً ما ُتسمّى بمركز الضغط)‪ٌُ .‬مكن حساب مركز الضغط بمساواة عزم م َُحصِّلة َّ‬
‫القوة الكلٌَّة ‪ F‬بالعمق المح َّدد إبتداءاً من نقطة ‪ O‬وصوالً‬
‫نقطة األصل ‪( O‬والذي ٌساوي حاصل ضرب َّ‬
‫إلى مركز الضغط ‪ ) y p‬إلى مجموع عزوم القوى المؤثرة على المساحات الجزئٌة (عبر السطح‬
‫المستوي) حول نقطة األصل ‪ .O‬أي‬
‫‪y pF =  ydF =  sin() y 2dA‬‬
‫‪ sin() y 2dA‬‬
‫‪F‬‬
‫)‪-------------(5-2‬‬
‫أن المقدار ‪ y dA‬‬
‫‪2‬‬
‫‪yp ‬‬
‫ٌمثل العزم الثانً للمساحة ‪ I o‬حول نقطة األصل ‪ O‬والذي ٌُدعى بعزم‬
‫القصور الذاتً وبتبسٌط المعادلة )‪ (5-2‬تكون النتٌجة كما ٌلً‪-:‬‬
‫‪ sin().I o ‬‬
‫‪I‬‬
‫‪ o‬‬
‫‪ sin()y c A y c A‬‬
‫)‪-------------(6-2‬‬
‫وٌمكن التعبٌر عن قٌمة ‪ I o‬فً المعادلة )‪ (6-2‬لٌنتج‪-:‬‬
‫‪2‬‬
‫‪yp ‬‬
‫‪Io‬‬
‫‪Ay c2  I c‬‬
‫‪I‬‬
‫‪yp ‬‬
‫‪‬‬
‫‪ yc  c‬‬
‫‪ycA‬‬
‫‪ycA‬‬
‫‪ycA‬‬
‫)‪-------------(7-2‬‬
‫حٌث أن ‪َ ٌُ I c‬م ِّثل عزم القصور الذاتً للسطح المستوي حول مركز مساحته‪.‬‬
‫وبنفس اإلسلوب ٌمكن كتابة المعادلة اآلتٌة‪-:‬‬
‫‪Ic‬‬
‫‪hc A‬‬
‫)‪-------------(8-2‬‬
‫‪hp  hc ‬‬
‫ٌمكن اإلستفادة من الجدول (ٕ‪ )ٕ-‬فً حساب عزم القصور الذاتً ومركز المساحة والمساحة لمجموعة‬
‫من األشكال الهندسٌة‪.‬‬
‫وصف الجهاز‪-:‬‬
‫ٌتكون جهاز التجربة من عتلة تحوي فً أحد أطرافها حاملة أثقال وفً الطرف األخر جسم‬
‫زجاجً (عبارة عن مجرى ربع دائري مقطعه مستطٌل الشكل (طول ضلعه باإلتجاه العمودي على‬
‫صبّ الماء فٌه)‬
‫الورقة هو ‪ ) b  75 mm‬مُغلق من إحدى نهاٌتٌه ومفتوح من الجهة األخرى لغرض َ‬
‫ٌحوي تدرٌجات خطٌَّة لغرض قراءة عمق السائل الموضوع فٌه (‪ )depth‬وتدرٌجات زاوٌَّة لغرض‬
‫معرفة زاوٌة مٌالن السطح‪ ,‬طول ذراع الموازنة هو‬
‫تخطٌطٌا ً لجهاز التجربة‪.‬‬
‫‪َ ٌُ . L  250 mm‬بٌِّن الشكل (ٕ) رسما ً‬
‫مرتكس‬
‫‪L‬‬
‫‪0‬‬
‫‪90°‬‬
‫‪80°‬‬
‫‪70°‬‬
‫‪60°‬‬
‫‪50°‬‬
‫‪40°‬‬
‫‪30°‬‬
‫‪20‬‬
‫جسم زجاجي شفاف يحوي‬
‫تدريجات عمودية وزاوية‬
‫‪40‬‬
‫‪60‬‬
‫‪80‬‬
‫‪z‬‬
‫ذراع الموازنة‬
‫‪10° 20°‬‬
‫األثقال‬
‫‪100‬‬
‫مجرى ربع دائري‬
‫‪120‬‬
‫‪hp‬‬
‫‪140‬‬
‫‪160‬‬
‫‪180‬‬
‫‪200‬‬
‫ماء‬
‫الشكل (‪ -:)2-2‬جهاز مركز الضغط‬
‫طريقة عمل التجربة‪-:‬‬
‫ٔ‪ .‬وازن الجهاز أفقٌا ً وهو فارغا ً من الماء‪.‬‬
‫ضع ثقالً معلوما ً فً جهة حامل األثقال وأضِ ف ماءاً فً المجرى الربع دائري حتى تصبح العتلة‬
‫ٕ‪َ .‬‬
‫متزنة أفقٌا ً ‪.‬‬
‫‪3‬‬
‫ٖ‪ .‬سجِّ ل عمق الماء ومقدار كتلة الثقل الموضوع واعمل جدوالً مشابها ً للجدول (ٔ‪.)ٕ-‬‬
‫ضع ثقالً َ‬
‫آخر وأضِ ف ماءاً وكرِّ ر نفس الخطوات السابقة إبتداءاً من الفقرة (ٕ) حتى تحصل‬
‫ٗ‪َ .‬‬
‫على مجموعة كافٌة من القراءات ألغراض الحساب والمقارنة‪.‬‬
‫الحسابات والنتائج‪-:‬‬
‫طبِّق قانون العزوم حول محور التدوٌر (المُرتكز فً جهاز التجربة) لكل قراء ٍة من القراءات‬
‫حٌث أن عزم األثقال ٌساوي عزم القوة الضاغطة بفعل الماء فً المجرى الربع دائري واحصل على‬
‫القوة الناتجة من ضغط السائل وفقا ً للمعادلة التالٌة‪-:‬‬
‫ذراع م َُحصِّلة َّ‬
‫‪mgL‬‬
‫‪h c A‬‬
‫)‪-------------(9-2‬‬
‫‪re ‬‬
‫حٌث تمثل ‪ re‬ذراع القوة الضاغطة العملً ‪ُ ,‬ث َّم إحسب ذراع القوة الضاغطة النظري ‪ rt‬من المعادلة‬
‫آالتٌة‪-:‬‬
‫‪rt  z  hp‬‬
‫)‪-------------(10-2‬‬
‫حٌث أن ‪ z‬هو البعد من المرتكز إلى سطح الماء و ‪ُ h p‬تحسب من المعادلة )‪.(7-2‬‬
‫ونكون الجدول األتً‪.‬‬
‫)‪rt (mm) re (mm‬‬
‫‪hp‬‬
‫)‪(mm‬‬
‫(‬
‫‪200  Z‬‬
‫)‪)(mm‬‬
‫)‪Z (mm‬‬
‫)‪mass (g‬‬
‫جدول (‪ -:)2-1‬جدول الحسابات‬
‫المناقشة‪-:‬‬
‫ٔ‪ .‬ما سبب أخذ شكل المجرى ربع دائري وهل ٌمكن أن ٌكون شكالً أخر ؟‬
‫ٕ‪ .‬ناقش النتائج التً حصلت علٌها خالل التجربة وقارن بٌن ‪ re‬و ‪ rt‬؟‬
‫ٖ‪ .‬إرسم بٌانٌا ً مركز الضغط العملً ضد مركز الضغط النظري ؟‬
‫ٗ‪ .‬هل األفضل أن ٌكون وضع البوابة عمودٌا ً أم مائالً ؟ إذكر السبب‪.‬‬
‫٘‪ .‬ماهً تأثٌرات مركز الضغط على مقدار قوّ ة محصلة الضغط ؟ وماهً أهمٌة معرفة قٌمته؟‬
‫‪4‬‬
‫جدول (‪ -:)2-2‬خواص مساحات األشكال الهندسية األساسية‬
‫‪5‬‬
Download