background image

 

 

56

4. 

Zasada zmiany pędu (zasada zmiany ilości ruchu) 

 
Zasada zmiany pędu dla układu ciał stałych ma postać: 

=

P

U

m

dt

d

r

r

,  

gdzie: 

masy poszczególnych ciał, 

Ur

ich prędkości, 

 

Pr

suma sił zewnętrznych wywołująca zmianę pędu, 

 
W przypadku ciągłego ośrodka płynnego zasadę zmiany pędu można zapisać w postaci: 

=

P

U

dm

dt

d

r

r

gdzie: 

 

dm

masy poszczególnych elementów płynu 

 
 
 
 
 
 
 
 

Rozpatrzmy powierzchnię kontrolną  S obejmującą objętość  V  płynu jak przedstawiono to na 

rysunku. Na masę tę mogą działać następujące siły: 

- grawitacyjne 

(często można je pominąć), 

- wypadkowa sił ciśnieniowych wywieranych przez otaczającą masę  płynu lub ściany 

przewodu stanowiące część powierzchni kontrolnej S, (

∫∫

S

dS

n

pr

), znak minus wynika stąd, 

że siły te działają na rozpatrywaną masę  płynu (objętą powierzchnią  S) ze zwrotem 
przeciwnym do wektora jednostkowego  nr  kierunku normalnego elementarnego pola dS

-  od zmiany prędkości (

U

dS

ρU

S

n

r

∫∫

),  

- siły zewnętrzne (

z

Pr

). 

Stosując zasadę pędu dla przepływów możemy napisać ogólne równanie zmiany pędu, jakiej ulega 
masa płynu przepływająca w czasie dt przez obszar objęty powierzchnią S
 

∫∫

∫∫

+

=

S

z

S

n

P

dS

n

p

U

dS

ρU

r

r

r

gdzie: 

dS

ρU

n

wydatek masowy, 

nr

wektor jednostkowy, normalny do powierzchni S

Ur

prędkość. 

 
Reakcja strumienia płynu na powierzchnię kontrolną będzie równa siłom zewnętrznym ze znakiem 
minus: 
 

z

P

R

=

 

background image

 

 

57

Rozpatrzmy kilka najczęściej spotykanych przypadków zastosowania zasady zmiany pędu do 
wyznaczenia siły reakcji hydrodynamicznej na ciało stałe: 

 
a) Strumień objętości płynu Q przepływa przez zakrzywiony przewód o zmiennym przekroju 

(kolano). Powierzchnią kontrolną  będzie  ścianka przewodu (Rys. 4.1). Wzór na reakcję 
będzie mieć postać (forma wektorowa) 

 

G

P

P

)

U

U

ρQ(

R

2

1

2

1

r

r

r

r

r

r

+

+

+

=

 

gdzie: 

1

Pr

siła ciśnieniowa w przekroju 1-1

2

Pr

siła ciśnieniowa w przekroju 2-2

G

r

ciężar płynu w rozpatrywanym przewodzie. 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Rys. 

4.1 

   Rys. 

4.2 

 
b) Dla przepływu prostoosiowego pionowego przez dyfuzor (zmiana przekroju poprzecznego) 

(Rys. 4.2) 

(

)

G

U

U

ρQ

S

p

S

p

R

2

1

1

1

2

2

=

 
c)  Dla swobodnego strumienia wypływającego stycznie na ściankę nieruchomą, zakrzywiona 

(Rys. 4.3): 

 
 

(

)

(

)

cosα

1

ρQU

U

U

ρQ

R

2x

1x

x

=

=

,

 

(

)

ρQUsinα

U

U

ρQ

R

2y

1y

y

=

=

 

 

2

y

2

x

R

R

R

+

=

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Rys. 4.3 

Rys. 4.4 

Rys. 4.5 

background image

 

 

58

d) Dla swobodnego strumienia wypływającego na ściankę  płaską nieruchomą, ustawioną 

prostopadle do prędkości strumienia (Rys. 4.4): 

 

ρQU

R

R

0,

R

x

y

=

=

=

.  

 

Jeśli ścianka jest pochyła (Rys. 4.5), to 

 

ρQUsinα

R

0,

R

n

t

=

=

Wydatki: 

(

)

(

)

cosα

1

2

Q

Q

,

cosα

1

2

Q

Q

2

1

=

+

=

 

e) Oddziaływanie strumienia na powierzchnie ruchome. 

Dla  ścianki prostopadłej poruszającej się z prędkością 

u, której kierunek jest zgodny z 

kierunkiem prędkości strumienia (Rys. 4.6), 
 

(

)

U

u

U

ρQ

R

2

=

.  

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
    Rys. 

4.6    Rys. 

.7 

 

Dla ścianki zakrzywionej (Rys. 4.7): 

(

) (

)

cosα

1

U

u

U

ρQ

R

2

x

=

,  

(

)

sinα

U

u

U

ρQ

R

2

y

=

 
 

PRZYKŁADOWE ZADANIA 
 
Zadanie 4.1 

(poz. bibl. [6], zad. 3.3.5, str. 51)

 

Ciecz doskonała o gęstości 

ρ

 wypływa z dyszy o 

średnicy 

D z prędkością  U unosząc  ściankę której 

ciężar wynosi 

G. Na jakiej wysokości  H  ścianka 

pozostanie w równowadze? Zadanie rozwiązać dla 
dwóch przypadków: ścianki płaskiej, oraz ścianki o  
kształcie czaszy kulistej. 
 
Dane: 

   Wyznaczyć: 

ρ

, D, U, G 

 

 

H 

background image

 

 

59

 

Rozwiązanie: 

 
W stanie równowagi, napór hydrodynamiczny 

R musi zrównoważyć ciężar ścianki G, czyli: 

 

G

R

=

 

 
Dla ścianki płaskiej: 

1

ρQU

R

=

 

 
Prędkość 

U

1

 wyznaczamy z równania Bernoulli’ego, odniesionego do przekrojów 

0 i 1

 

H

γ

p

2g

U

0

γ

p

2g

U

1

2

1

0

2

+

+

=

+

+

 , 

w którym:  

a

1

0

p

p

p

=

=

zatem: 

2gH

U

U

2

1

=

 

 
Podstawiając do zależności 

1

ρQU

R

=

 wzór 

2gH

U

U

2

1

=

 oraz wiedząc, że: 

U

4

πD

Q

2

=

otrzymamy: 

2gH

U

U

4

πD

ρ

R

G

2

2

=

=

skąd wysokość: 







=

2

2

2

ρU

πD

4G

U

2g

1

H

 
Dla ścianki półkolistej: 

(

)

(

)

.

U

U

ρQ

R

2

1

=

 

Prędkości 

U

1

 i 

U

2

 wyznaczamy analogicznie, jak dla ścianki płaskiej, a zatem: 

2gH

U

U

U

2

2

1

=

=

stąd: 

2gH

U

U

2

πD

ρ

R

G

2

2

=

=

wobec tego szukana wysokość 

H wynosi: 







=

2

2

2

ρU

πD

2G

U

2g

1

H

 

background image

 

 

60

Zadanie 4.2 

(poz. bibl. [6], zad. 3.3.3, str. 51)

 

Przez przewód z kolanem o średnicy 

D = 80 mm przepływa 

woda ze strumieniem objętości 

Q = 0,08 m

s

-1

. Pomijając 

straty, obliczyć napór strumienia wody na ścianki przewodu. 
Część dopływowa kolana usytuowana jest pod kątem 

α

π/6 

względem poziomu, a wypływowa – pod kątem 

α

π/3. W 

przekroju dopływowym i wypływowym panuje ciśnienie 
otoczenia 

p

a

. Tarcie pominąć. 

 
Dane: 

     Wyznaczyć: 

D 

80 

mm 

    

R 

Q = 0,08 m

3

 s

-1

 

α

1

 = 

π/6 

α

π/3  

p

a

 

Rozwiązanie: 

Składowe naporu hydrodynamicznego odpowiednio wynoszą: 

(

)

2x

1x

x

U

U

ρQ

R

=

(

)

2y

1y

y

U

U

ρQ

R

=

gdzie: 

1

1x

Ucosα

U

=

2

2x

Ucosα

U

=

 

1

1y

Usinα

U

=

2

2y

Usinα

U

=

stąd: 

(

)

2

1

x

cosα

cosα

ρQU

R

+

=

(

)

2

1

y

sinα

sinα

ρQU

R

=

Podstawiając: 

2

πD

4Q

U

=

otrzymamy: 

(

)

2

1

2

2

x

cosα

cosα

πD

Q

R

+

=

 

(

)

2

1

2

2

y

sinα

sinα

πD

Q

R

=

Napór całkowity (wypadkowy): 

2

y

2

x

R

R

R

+

=

czyli: 

(

) (

)

(

)

(

)

2

1

2

2

2

1

1

2

2

1

2

2

α

α

cos

1

2

πD

Q

sinα

sinα

cosα

cosα

πD

Q

R

+

+

=

+

+

=

Suma kątów: 

2

π

3

π

6

π

α

α

2

1

=

+

=

+

zatem: 

background image

 

 

61

2

2

πD

ρQ

2

4

R

=

a po podstawieniu wartości liczbowych, napór wypadkowy: 
 

1802

(0,08)

3,14

(0,08)

1000

2

4

2

2

=

=

R

 N 

 
Zadanie 4.3 

(poz. bibl. [6], zad. 3.3.4, str. 51)

 

Przewodem o zmiennym przekroju kołowym i zakrzywionym 
pod kątem 

π, płynie ciecz o gęstości 

ρ

. Maksymalna średnica 

przewodu jest równa 

D, minimalna – d, a promień krzywizny 

– 

r. Wyznaczyć moduł oraz określić położenie wektora naporu 

hydrodynamicznego, jeżeli ciśnienie na dopływie wynosi 

p

strumień objętości przepływającej cieczy równy jest 

Q, a 

przepływ obywa się bez tarcia. Przewód leży w płaszczyźnie 
poziomej. 
 
Dane: 

     Wyznaczyć: 

Q, 

ρ

, p, D, d, r  

 

 

 

 

Rozwiązanie: 

Moduł wektora naporu hydrodynamicznego 

R jest równy sumie modułów naporów składowych R

1

 i 

R

2

, czyli: 

 

2

1

R

R

R

+

=

gdzie: 

4

πD

)

ρU

(p

R

2

2

1

1

1

+

=

4

πd

)

ρU

(p

R

2

2

2

2

2

+

=

Prędkości 

U

1

 i 

U

2

 odpowiednio wynoszą: 

2

1

πD

4Q

U

=

 i 

2

2

πd

4Q

U

=

natomiast ciśnienie w przekroju 

2 wyznaczamy z równania Bernoulli’ego: 

ρ

p

2

U

ρ

p

2

U

2

2

2

1

2

1

+

=

+

Stąd: 

+

=

4

4

2

2

1

2

d

1

D

1

π

ρ

8Q

p

p

Po odpowiednich podstawieniach oraz uwzględniając, że 

p

1

 = p, otrzymamy: 

4

πD

D

π

ρ

16Q

p

R

2

4

2

2

1





+

=

4

πd

d

1

D

1

π

ρ

8Q

p

R

4

4

4

2

2

2

+

+

=

a zatem całkowity napór hydrodynamiczny: 
 

background image

 

 

62

(

) (

)

2

2

2

4

2

2

2

d

D

d

πD

d

D

Q

4

πp

R

+

+

+

=

Położenie wektora naporu hydrodynamicznego 

R, czyli jego odległość od osi x, wyznaczamy z 

twierdzenia, iż moment sił wypadkowej względem dowolnego punktu równy jest sumie momentów 
sił składowych, a więc: 

r

R

r

R

e

R

2

1

=

stąd: 

(

)

R

R

R

r

e

2

1

=

 

(

)

(

)(

)

(

)

(

)(

)

2

2

2

2

2

2

4

2

2

2

2

2

2

2

4

2

d

D

d

D

Q

d

pD

π

r

d

D

d

D

Q

d

pD

π

e

+

+

+

=

 
Zadanie 4.4 

(poz. bibl. [7], zad. 5.11, str. 96)

 

Struga cieczy idealnej o gęstości 

ρ i strumieniu 

objętości 

Q  wypływa z dyszy z prędkością  U

Struga uderza w płytę prostokątną, ustawioną pod 
katem 

α

 do osi dyszy i rozdziela się na dwie strugi 

o strumieniach 

Q

2’

 i 

Q

2”

 odpowiednio. Przyjmując, 

iż ciecz na płycie płynie z jednakową prędkością w 
obu kierunkach i pomijając tarcie, obliczyć reakcje 
dynamiczną strugi oraz strumienie 

Q

2’

 i 

Q

2”

 
Dane: 

      Wyznaczyć: 

ρ

, Q, U, 

α

 

 

 

 

 

 

Q

2’

, Q

2”

, R 

 

Rozwiązanie: 

Reakcja dynamiczna 

R ma kierunek prostopadły do osi płyty. Obliczamy ją z równania zasady 

zmiany pędu: 

2

1

)

U

Q

)

U

Q

R

r

r

r

=

 

Strumień pędu w przekroju dolotowym 

1

U

ρQ

)

U

Q

1

r

r =

W obszarze kontrolnym (

1-2’-2”) struga dzieli się na dwie, więc: 

(

)

2"

2"

2'

2'

2

U

ρQ

U

ρQ

U

ρQ

r

r

r

+

=

 
Wektory trzech sił występujących w równaniu 

2

1

)

U

Q

)

U

Q

R

r

r

r

=

 tworzą trójkąt jak na rysunku. 

Wynika stąd:  
 

 

 

 

 

ρQUsinα

R

=

Rzutowanie wektorów wielkości z równania 

2

1

)

U

Q

)

U

Q

R

r

r

r

=

 na kierunek styczny do płyty, 

czyli prostopadle do 

R daje nowe równanie. Zakładając,  że 

U

U

U

"

2

'

2

r

r

r

=

=

, a więc 

'

2

"

2

U

U

r

r

=

otrzymamy: 
 

 

 

 

 

(

)

U

Q

U

Q

cos

QU

0

"

2

'

2

=

ρ

α

ρ

 

lub 
 

 

 

 

 

"

2

'

2

Q

Q

cos

Q

=

α

Są tu dwie niewiadome 

Q

2’

 i 

Q

2”

, ale powiązane warunkiem ciągłości strugi: 

 

 

 

 

 

"

2

'

2

Q

Q

Q

+

=

Rozwiązanie układu równań z dwóch powyższych równań daje: 

background image

 

 

63

 

 

 

 

 

2

cos

1

Q

Q

,

2

cos

1

Q

Q

"

2

'

2

α

α

=

+

=

 
Zadanie 4.5 

(poz. bibl. [3], zad. 3.5.4, str. 68)

 

Woda wypływa ze zbiornika przez kolano o średnicy 

= 40 

mm do atmosfery. Wylot z kolana skierowany jest do góry 
pod kątem 

α

 = 60

o

 do poziomu i znajduje się na wysokości 

= 1 m od wlotu. Wysokość słupa wody w zbiorniku wynosi 
H  = 7 m. Określić reakcję strumienia cieczy na kolano, 
traktując wodę jako płyn doskonały. 
 
Dane: 

     Wyznaczyć: 

d = 40 mm 

 

 

 

 

R  

h = 1 m 
H = 7 m 

α

 = 60

o

 

Rozwiązanie: 

Reakcje składowe: 

(

)

1

1

2x

1x

x

S

p

U

U

Q

ρ

R

+

=

(

)

2y

1y

y

U

U

Q

ρ

R

=

Zapisując równanie Bernoulli’ego dla przekrojów 

0 i 2 wyznaczamy prędkość wody w rurze: 

h

2g

U

H

2

+

=

stąd  

h)

2g(H

U

=

= 10,8 m/ s. 

Składowe prędkości: 

0,5U

Ucos60

U

U,

U

0

2x

1x

=

=

=

 

0,866U

Ucos30

U

0,

U

0

2y

1y

=

=

=

 

Strumień objętości: 

U

4

πd

Q

2

=

 = 0,01 m

3

/s 

Ciśnienie: 

gH

p

1

ρ

=

Reakcje: 

(

)

1

1

x

S

p

0,5U

U

ρQ

R

+

=

 = 131 N 

(

)

0,866U

U

ρQ

R

y

=

 = -72 N 

2

y

2

x

R

R

R

+

=

 = 149 N 

 
 
 
Zadanie 4.6 

(poz. bibl. [6], zad. 3.3.1, str. 50)

 

Z przystawki o średnicy 

D = 80 mm i d = 20 mm wypływa woda ze 

średnią prędkością 

U = 15 m/s. Pomijając różnicę ciśnień, obliczyć 

reakcję hydrodynamiczną, wywieraną przez strumień cieczy na 
przystawkę. 
 

background image

 

 

64

Dane: 

     Wyznaczyć: 

d = 20 mm 

 

 

 

 

R 

D = 80 mm 
U = 15 m/s 

Rozwiązanie: 

Reakcja 

R w ruchu ustalonym strumienia cieczy wynosi: 

)

U

ρQ(U

R

1

=

Strumień objętości 

Q oraz prędkość U

1

 obliczamy z równania ciągłości: 

4

πD

U

4

πd

U

Q

2

1

2

=

=

wobec tego 

4

πd

U

Q

2

=

 

oraz 

2

2

1

D

d

U

U

=

Podstawiając dwa powyższe równania do zależności 

)

U

ρQ(U

R

1

=

 otrzymujemy: 





=

2

2

2

2

D

d

1

4

πd

U

ρ

R

Dla danych liczbowych oraz gęstości wody 

ρ

 =1000 [kg m

-3

] reakcja wyniesie: 

= 66,25 N 

 
Zadanie 4.7 

(poz. bibl. [3], zad. 3.5.5, str. 68)

 

Zbiornik o wymiarach 

15

15

20

c

b

a

×

×

=

×

×

cm

3

 podwieszono w 

sposób pokazany na rysunku. Z otworu w ścianie zbiornika, 
umieszczonego na głębokości 

h  = 13,5 cm, wypływa woda 

(średnica otworu 

= 1 cm). Obliczyć, o jaką odległość e zbiornik 

przesunie się na skutek reakcji wypływającej wody. Ciężar 
zbiornika 

G

z

 = 4 N; opory tarcia pominąć. Odległość otworu od 

punktów podwieszenia 

= 30 cm. 

 
Dane: 

15

15

20

c

b

a

×

×

=

×

×

 cm

3

   Wyznaczyć: 

= 1 cm 

 

 

 

 

e 

= 13,5 cm 
= 30 cm  
G

z

 = 4 N 

Rozwiązanie: 

Moment względem punktu M: 

e

G

H

R

=

skąd:  

G

H

R

e

=

Reakcja: 

QU

ρ

R

=

gdzie: 

2gh

U

równanie Torricelli’ego. 

Strumień objętości: 

background image

 

 

65

gh

2

4

d

Q

2

π

=

zatem: 

2

d

π

h

g

ρ

R

2

=

 = 0,208 N. 

Ciężar naczynia z wodą:  

g

G

G

z

+

=

 = 4+44,145 = 48,145 N, 

Podstawiając do wzoru na 

e otrzymujemy: 

 

 

 

 

 

e = 0,0013 m. 

 
Zadanie 4.8 

(poz. bibl. [7], zad. 5.10, str. 95)

 

Struga wody o przekroju 

S = 0,005 m

2

, wylatując z dyszy, 

opływa symetrycznie stożek o kącie wierzchołkowym 

2α = 60

o

Jaki musi być strumień masy strugi 

m& , aby stożek pod 

działaniem siły osiowej 

P  = 700 N poruszał się pod prąd z 

prędkością 

= 8 m/s ? Tarcie pominąć. 

 
Dane: 

     Wyznaczyć: 

S = 0,005 m

2

   

 

 

 

m 

= 700 N 
= 8 m/s 
α = 30

o

 

Rozwiązanie: 

Siła 

P musi pokonać reakcję dynamiczną strugi R. Zachodzi tu ruch złożony, w którym struga ma 

prędkość względem stożka na wlocie 

u

U

w

+

=

, gdzie 

U

 jest prędkością wypływu z dyszy 

(niewiadoma). Na wylocie ze stożka struga jest odchylona o kąt 

α

, a więc składowa osiowa 

prędkości względnej wynosi tam 

cosα

w

. Zmianie pędu ulega strumień o natężeniu (względnym) 

w

S

Q

=

, wobec tego wystąpi reakcja dynamiczna: 

).

cosα

(1

u)

S(U

ρ

)

cosα

(1

w

Q

ρ

R

2

+

=

=

 

Podstawiając 

P

R

= , rozwiązujemy względem 

U

(

)

u

cos

1

S

P

U

2

1

=

α

ρ

 

U = 23,6 [m s

-1

Struga wody musi mieć strumień masy: 

U

S

m

ρ

=

&

 = 118 kg /s. 

 
Zadanie 4.9 

(poz. bibl. [7], zad. 5.8, str. 95)

 

Struga powietrza o prędkości 

U

1

 i strumieniu objętości 

Q 

wdmuchiwana jest pod kątem 

α

1

 na górną połówkę kuli o 

ciężarze 

G. Struga, odchylając się, wytwarza reakcję 

dynamiczną 

R, która równoważy ciężar kuli. Określić kierunek 

(

α

2

) i prędkość 

U

2

 strugi odchylonej. Tarcie pominąć. 

 
Dane: 

     Wyznaczyć: 

Q, U

1

, α

1

, G   

 

 

 

U

2

, α

2

 

 

Rozwiązanie: 

Wzór na reakcję dynamiczną wynika z zasady zmiany pędu: 

(

)

2

1

U

U

ρQ

R

r

r

r

=

 

background image

 

 

66

lub po zrzutowaniu wektorów na kierunki: poziomy 

x i pionowy y: 

(

)

0

cos

cos

2

2

1

1

=

=

α

α

ρ

U

U

Q

R

x

 

(

)

G

U

U

Q

R

y

=

=

2

2

1

1

sin

sin

α

α

ρ

Aby obliczyć kąt 

α

1

, przekształcamy zależność na 

y

R

 do postaci: 

Q

G

U

U

ρ

α

α

=

1

1

2

2

sin

sin

 

i dzielimy lewą stronę przez 

2

2

cos

α

U

, prawą przez 

1

1

cos

α

U

, ponieważ z zależności na 

x

R

wynika  

1

1

2

2

cos

cos

α

α

U

U

=

 

otrzymujemy: 

1

1

1

2

cos

α

ρ

α

α

QU

G

tg

tg

=

Aby obliczyć prędkość 

2

U

, podnosimy do kwadratu wyrażenia stojące po obu stronach równań 

Q

G

U

U

ρ

α

α

=

1

1

2

2

sin

sin

 i 

1

1

2

2

cos

cos

α

α

U

U

=

, a następnie sumujemy stronami: 

2

1

1

2

1

2

2

sin

2





+

=

Q

G

U

G

G

U

U

ρ

α

ρ

Z powyższych obliczeń wynika, że struga załamuje się 

(

)

2

1

α

α

>

 i zostaje przyhamowana 

(

)

2

1

U

U

>

 
Zadanie 4.10 

(poz. bibl. [6], zad. 3.3.10, str. 52)

 

Z dyszy o średnicy  D  = 25 mm wypływa woda z 
prędkością  średnią  U  = 10 m/s i uderza w ruchomą 
łopatkę, zakrzywioną pod kątem  α  =  π/3. Obliczyć 
napór hydrodynamiczny R, jeżeli prędkość unoszenia 
łopatki  u  = 2 m/s. Przyjąć  gęstość wody ρ  = 1000 
kg/m

3

 
Dane: 

    Wyznaczyć: 

25 

mm 

   

= 10 m/s

 

= 2 m/s 
ρ = 1000 kg/m

3

 

α = π/3 

Rozwiązanie: 

W chwili działania strumienia cieczy na łopatkę, jego prędkość względna: 

u

U

w

+

=

a strumień objętości przepływu:  

(

)

u

U

4

D

w

4

D

Q

2

2

=

=

π

π

 

Poszczególne składowe naporu hydrodynamicznego są odpowiednio równe: 

)

w

u)(w

(U

4

πD

ρ

)

w

ρQ(w

R

2x

1x

2

2x

1x

x

=

=

 

)

w

u)(w

(U

4

πD

ρ

)

w

ρQ(w

R

2y

1y

2

2y

1y

y

=

=

W związku z tym, że składowe prędkości wynoszą: 

,

0

w

,

u

U

w

y

1

x

1

=

=

 

background image

 

 

67

α

α

sin

)

u

U

(

w

,

cos

)

u

U

(

w

y

2

x

2

=

=

więc: 

)

cosα

(1

u)

(U

4

πD

ρ

R

2

2

x

+

=

sinα

u)

(U

4

πD

ρ

R

2

2

y

=

Wypadkowa siła naporu hydrodynamicznego: 

2

y

2

x

R

R

R

+

=

dlatego: 

α

α

π

ρ

2

2

2

2

sin

)

cos

1

(

)

u

U

(

4

D

R

+

+

=

Po przekształceniu pierwiastka: 

2

cos

2

sin

)

cos

1

(

2

2

α

α

α

=

+

+

wyrażenie określające R przybierze postać 

 

 

 

 

 

2

cos

)

u

U

(

4

D

R

2

2

α

π

ρ

=

Po wprowadzeniu danych liczbowych, 

= 54,4 N. 

 
 

ZADANIA DO SAMODZIELNEGO ROZWIĄZANIA 
 

Zadanie 4.11 

(poz. bibl. [3], zad. 3.5.2, str. 67)

 

Jednorodna płaska płyta, obracająca się wokół osi O, jest 
podtrzymywana w położeniu poziomym przez pionowy strumień 
wody, wypływającej z rury z prędkością  U = 15 m/s. Średnica 
rury  d = 20 mm. Odległość wylotu rury od osi obrotu płyty 
wynosi h = 4 m. Obliczyć ciężar płyty, jeżeli jej długość L = 50 
cm, a punkt zetknięcia się strumienia z płytą leży w odległości l = 
35 cm od osi obrotu. Przy wypływie wody do góry pominąć opór 
powietrza, uwzględnić jednak przyspieszenie ziemskie.  
 
Odpowiedź

= 65,3 N 

 
 
Zadanie 4.12 

(poz. bibl. [6], zad. 3.3.2, str. 50)

 

Strumień cieczy doskonałej, której gęstość wynosi ρ, wypływa z 
dyszy i uderza w idealnie gładką płytę o ciężarze G oraz długości L
Płyta może obracać się wokół  łożyska  0, oddalonego o h od osi 
dyszy. Wiedząc, że strumień objętości wypływającej cieczy wynosi 
Q

, a średnica dyszy jest równa D, wyznaczyć składowe reakcji w 

łożysku, a także kąt 

α

, o jaki wychyli się płyta, aby zachować stan 

równowagi. 
 
Odpowiedź: 

α

cos

πD

Q

R

2

2

2

AX

=

α

sin2

πD

Q

G

sinα

cosα

πD

Q

G

R

2

2

2

2

AY

+

=

+

=

; .

L

D

h

Q

arcsin

α

2

2

=

 

background image

 

 

68

 
Zadanie 4.13 

(poz. bibl. [7], zad. 5.40, str. 102)

 

Struga wody wypływa przez otwór D

0

 = 1cm w dnie zbiornika z prędkością 

początkową U

0 

= 4 m/s. Spadając swobodnie z wysokości H = 2 m, uderza w 

płaszczyznę poziomą. Obliczyć reakcję dynamiczną strugi. 
 
 
Odpowiedź:

 R = 2,33 N. 

 
 
 
 
Zadanie 4.14 

(poz. bibl. [5], zad. 5.2.11, str. 94)

 

Z rurki o średnicy d wypływa strumień idealnej cieczy o gęstości ρ pionowo w 
górę z prędkością  U do czaszy półkolistej, jak pokazano to na rysunku. 
Obliczyć, na jakiej wysokości h będzie utrzymywana czasza, jeśli całkowity jej 
ciężar wynosi G
 
 

Odpowiedź:

 

2

2

2

2

πρd

G

g

U

2

2g

U

h





=

 

 
 
Zadanie 4.15 

(poz. bibl. [5], zad. 5.2.6, str. 93)

 

Woda płynie z motopompy wężem do prądownicy 
umieszczonej na jego końcu.  Średnica otworu 
prądownicy u wylotu wynosi d = 2 cm, a przy wężu 
D

 =  8cm. Obliczyć, z jaką siłą działa prądownica na 

strażaka utrzymującego ją poziomo, jeśli prędkość 
wypływu wody wynosi U = 15 m/s. Opory cieczy w 
prądownicy pominąć. 
 
Odpowiedź:

 R = - 66,22 N. 

 
 
Zadanie 4.16 

(poz. bibl. [7], zad. 5.45, str. 103)

 

Pozioma struga wody o strumieniu masy 

m&

 = 300 kg/s i średnicy d = 0,1 m uderza prostopadle w 

płytę. Jaką siłą P trzeba hamować płytę, aby poruszała się z prądem z prędkością u = 10 m/s ? 
 
Odpowiedź:

 R = 6,25 kN. 

 
Zadanie 4.17 

(poz. bibl. [3], zad. 3.5.6, str. 69)

 

Poziomy strumień wody uderza o łopatkę wygiętą, jak 
pokazano na rysunku. Obliczyć składowe reakcje R

x

 i R

y

 dla 

przypadków, gdy: 
a)  łopatka jest nieruchoma, 
b)  łopatka przesuwa się z prędkością u = 2 m/s w kierunku 

zgodnym z kierunkiem prędkości strumienia. 

Pominąć opór powietrza i odchylenie strumienia od poziomu.  
Dane: U = 10 m/s, Q = 5 dm

3

/s, α = 60

o

 

background image

 

 

69

Odpowiedź: 
a) 

)

cosα

ρQU(1

R

x

+

=

= 75 N; 

ρQUsinα

R

y

=

= - 43.3 N 

b) 

(

)

)

cosα

(1

U

u

U

ρQ

R

2

x

+

=

= 48 N; 

(

)

sinα

U

u

U

ρQ

R

2

y

=

= - 27.7 N. 

 
 
Zadanie 4.18 

(poz. bibl. [6], zad. 3.3.12, str. 53)

 

Do koła Segnera o średnicy  D doprowadzona jest woda, której 
strumień objętości wynosi Q. Pomijając opory tarcia oraz straty 
przepływu, wyznaczyć prędkość  kątową wirowania 

ω. Przyjąć 

średnicę dysz wypływowych równą  d wiedząc,  że moment na 
kole jest równy zeru. 
 

Odpowiedź:

 

D

πd

4Q

ω

2

=

 

 
 
Zadanie 4.19 

(poz. bibl. [6], zad. 3.3.15, str. 54)

 

W łopatkę turbiny Peltona, obracającą się ze stałą prędkością 
obwodową u, uderza struga wody o polu przekroju równym S i 
gęstości 

ρ

. Prędkość strugi napływającej wynosi U

1

. Pomijając 

siły tarcia i ciężkości, wyznaczyć reakcję hydrodynamiczną. 

 

 
Odpowiedź:

 

2

1

u)

U

S(

R

=