"De druk in een bepaald punt van de vloeistof hangt niet af van de richting van het vlak waarop deze druk werkt"

Vergelijkbare documenten
Deel 5: Druk. 5.1 Het begrip druk Druk in het dagelijks leven. We kennen druk uit het dagelijks leven:

Hoofdstuk 2: HYDROSTATICA

Phydrostatisch = gh (6)

De olie uit opgave 1 komt terecht in een tank met een inhoud van liter. Hoe lang duurt het voordat de tank volledig met olie is gevuld?

AAN DE SLAG Arbeid verricht door de wrijvingskracht (thema 1)

Controle: Bekijk nu of aan het evenwicht wordt voldaan voor het deel BC, daarvoor zijn immers alle scharnierkracten bekend

AAN DE SLAG Arbeid verricht door de wrijvingskracht (thema 1)

3. BESCHRIJVING GEOMETRIE

Naam (plus beschrijving) Symbool Eenheid Formules. Druk = kracht per eenheid van oppervlakte p (N/m² = ) Pa

Thermodynamica. Daniël Slenders Faculteit Ingenieurswetenschappen Katholieke Universiteit Leuven

Buiging van een belaste balk

Gaap, ja, nog een keer. In één variabele hebben we deze formule nu al een paar keer gezien:

Fluïdummechanica. Dr ir Koenraad Thooft Algemene info. Oefeningenbundel

Deeltoets II E&M & juni 2016 Velden en elektromagnetisme

Relativistische interacties. N.G. Schultheiss

4. NUMERIEKE INTEGRATIE

woensdag 6 augustus 2008, u Code: 8W020, BMT 1.3 Faculteit Biomedische Technologie Technische Universiteit Eindhoven

VAK: Mechanica - Sterkteleer HWTK

Examen mechanica: oefeningen

IJkingstoets Wiskunde-Informatica-Fysica 29 juni Nummer vragenreeks: 1

Exact periode Youdenplot Krachten Druk

Uitwerking Tentamen Klassieke Mechanica I Dinsdag 10 juni 2003

IJkingstoets september 2015: statistisch rapport

SAMENSTELLEN EN ONTBINDEN VAN SNIJDENDE KRACHTEN

Beginnen met Construeren Module ribbmc01c Opleiding: Bouwkunde / Civiele techniek / ROP Propadeuse, kernprogramma 1 e kwartaal

Formule blad College Stromingsleer Wb1220

Vraag (1a): Bepaal de resulterende kracht van de hydrostatische drukken op de rechthoekige plaat AB (grootte, richting, zin en aangrijpingspunt).

IJkingstoets september 2015: statistisch rapport

IJkingstoets september 2015: statistisch rapport

2010-I. A heeft de coördinaten (4 a, 4a a 2 ). Vraag 1. Toon dit aan. Gelijkstellen: y= 4x x 2 A. y= ax

TECHNISCHE UNIVERSITEIT DELFT Faculteit der Civiele Techniek en Geowetenschappen

Uitwerking tentamen Stroming 15 juli 2005

Examen VWO. wiskunde B. tijdvak 1 maandag 20 mei uur

ALGEMEEN 1. De luchtdruk op aarde is ongeveer gelijk aan. A 1mbar. B 1 N/m 2. C 13,6 cm kwikdruk. D 100 kpa.

. Vermeld je naam op elke pagina.

koper hout water Als de bovenkant van het blokje hout zich net aan het wateroppervlak bevindt, is de massa van het blokje koper gelijk aan:

IJkingstoets burgerlijk ingenieur-architect juli 2018: feedback deel wiskunde

IJkingstoets burgerlijk ingenieur-architect juli 2018: feedback deel wiskunde

Uitwerkingen toets emv

Examen Algemene natuurkunde 1, oplossing

Eindronde Natuurkunde Olympiade 2014 theorietoets deel 1

Wet van Bernoulli. 1 Druk in stilstaande vloeistoffen en gassen 2 Druk in stromende vloeistoffen en gassen 3 Wet van Bernoulli

XXX INTERNATIONALE NATUURKUNDE OLYMPIADE PADUA, ITALIË THEORIE-TOETS

Calculus I, 23/11/2015

Basic Creative Engineering Skills

Oefeningen Smering : toepassing van de Navier-Stokes vergelijkingen

Module 1 Uitwerkingen van de opdrachten

Botsingen. N.G. Schultheiss

TENTAMEN ELEKTROMAGNETISME

Tentamen ConstructieMechanica 4 11 april 2016 BEKNOPTE ANTWOORDEN

In een U-vormige buis bevinden zich drie verschillende, niet mengbare vloeistoffen met dichtheden ρ1, ρ2 en ρ3. De hoogte h1 = 10 cm en h3 = 15 cm.

Uitwerkingen Mei Eindexamen VWO Wiskunde B. Nederlands Mathematisch Instituut Voor Onderwijs en Onderzoek

Exact Periode 7 Radioactiviteit Druk

wiskunde B havo 2015-II

Auteur(s): H. Faber Titel: Reactie op: Het klappende van de schaats Jaargang: 16 Jaartal: 1998 Nummer: 4 Oorspronkelijke paginanummers:

EXAMEN HOGER ALGEMEEN VOORTGEZET ONDERWIJS IN 1973 NATUURKUNDE. Vrijdag 25 mei, uur

Module 4 Uitwerkingen van de opdrachten

Opgave 2 Een kracht heeft een grootte, een richting en een aangrijpingspunt.

TENTAMEN WISKUNDIGE BEELDVERWERKINGSTECHNIEKEN

Tentamen E&M 13-mei-2004

Tentamen Inleiding Warmte en Stroming (4B260)

Hoofdstuk 5: Enthalpie

1 ELECTROSTATICA: Recht toe, recht aan

Massa Volume en Dichtheid. Over Betuwe College 2011 Pagina 1

T G6202. Info: auteur: Examencommissie Toelatingsexamen Arts en Tandarts, bron: Juli 2015, id: 11941

Opgave 1 Omdat het oppervlak onder Jokes schoenen kleiner is. De kracht per vierkante centimeter is onder Jokes schoenen dus groter.

Het berekenen van de componenten: Gebruik maken van sinus, cosinus, tangens en/of de stelling van Pythagoras. Zie: Rekenen met vectoren.

TECHNISCHE UNIVERSITEIT EINDHOVEN Faculteit Wiskunde en Informatica

Faculteit Wiskunde en Informatica VECTORANALYSE

Eindronde Natuurkunde Olympiade 2013 theorietoets deel 1

7. COMPAROLOGIE IN DE MARITIEME TECHNIEK

Achter het correctievoorschrift is een aanvulling op het correctievoorschrift opgenomen.

Mechanica van Materialen: Voorbeeldoefeningen uit de cursus

Lees onderstaande goed door. Je niet houden aan de instructies heeft direct gevolgen voor de beoordeling.

TENTAMEN DYNAMICA (140302) 29 januari 2010, 9:00-12:30

TENTAMEN ELEKTROMAGNETISME (8N010)

HOEKEN, AFSTANDEN en CIRKELS IN Klas 5N Wiskunde 6 perioden

UITWERKING. Tentamen SPM1360 : STATICA 24 maart Opgave 1. Onderdeel a) Zie boek. Onderdeel b)

x D In de punten A en B grijpt respectivelijk een vertikale constante kracht F 1 en F 2 aan.

Wat is pneumatiek? A B C. Tip Zie de woordenlijst voor een verklaring van de gebruikte uitdrukkingen.

Mechanica - Sterkteleer - HWTK PROEFTOETS versie C - OPGAVEN en UITWERKINGEN.doc 1/16

TRILLINGEN EN GOLVEN HANDOUT FOURIER

S3 Oefeningen Krachtenleer Hoofdstuk II II-3. II-3 Grafisch: 1cm. II-3 Analytisch. Sinusregel: R F 1

IJkingstoets Wiskunde-Informatica-Fysica 1 juli 2015 Oplossingen

Hoofdstuk 4: Dampen 4.1 AGGREGATIETOESTANDEN SMELTEN EN STOLLEN SMELTPUNT. Figuur 4.1: Smelten zuivere stof

Examen VWO. wiskunde B (pilot) tijdvak 1 woensdag 18 mei uur

De grafiek van een lineair verband is altijd een rechte lijn.

TENTAMEN ELEKTROMAGNETISME (8N010)

aluminium 2,7 0, ,024 ijzer 7,9 0, ,012

Examen HAVO. wiskunde B1

V Kegelsneden en Kwadratische Vormen in R. IV.0 Inleiding

S3 Oefeningen Krachtenleer Hoofdstuk VII VII-1. a) steunpuntreacties. massa balk m b = b * h * l * ρ GB = 0.5 * 0.5 * 10 * 2500 = 6250 kg

Tentamen x 3

Basic Creative Engineering Skills

MECHANICAII FLUIDO 55

Toegepaste wiskunde. voor het hoger beroepsonderwijs. Deel 2 Derde, herziene druk. Uitwerking herhalingsopgaven hoofdstuk 7.

natuurkunde havo 2015-II

Math D2 Gauss (Wiskunde leerlijn TOM) Deelnemende Modules: /FMHT/ / A. Oefententamen #2 Uitwerking

Examen Klassieke Mechanica

Transcriptie:

. HYDROSTTIC De hydrostatica is een deel van de hydromechanica, dat is de wetenscha van de evenwichts- en de bewegingsvergelijkingen van vloeistoffen en van de wisselwerking tussen deze vloeistoffen en vaste lichamen. De hydrostatica behandelt het deel waarbij de vloeistoffen en lichamen zich in een toestand van relatieve rust bevinden. Onder vloeistoffen verstaat men stoffen die grote weerstand bieden tegen samendrukkende krachten maar die daarentegen vrijwel geen weerstand hebben tegen trekkrachten en zeer langzame vormveranderingen. In de gebruikelijke beschouwingen van de hydrodynamica worden vloeistoffen over het algemeen homogeen en onsamendrukbaar verondersteld. Homogeen wil zeggen dat de soortelijke massa, dat is de massa van de vloeistof er eenheid van volume, niet afhankelijk is van de laats in de vloeistof. Onsamendrukbaar betekent dat er geen volume verandering otreedt ten gevolge van een drukverandering in de vloeistof. Bovendien wordt aangenomen dat de uitzetting van water ten gevolge van een temeratuurverandering eveneens verwaarloosd mag worden. Door deze aannamen worden de hydrostatische berekeningen aanzienlijk vereenvoudigd. Om te verklaren waardoor een lichaam nu recies blijft drijven in de vloeistof, is het noodzakelijk een korte introductie te geven in de hydrostatica. Uit de evenwichtsbeschouwing volgt dat een lichaam blijft drijven als er door de vloeistof een reactiekracht ogewekt wordt welke het gewicht van het lichaam comenseert. Krachten door vloeistoffen o lichamen uitgeoefend zijn in het algemeen te beschouwen als drukken werkend o een oervlak. Wat kunnen we over de druk in een vloeistof zeggen? Daartoe kijken we eerst naar de belangrijke wet van Pascal, welke stelt dat: WET VN PSCL "De druk in een beaald unt van de vloeistof hangt niet af van de richting van het vlak waaro deze druk werkt" Dit betekent dat in een willekeurig unt van de vloeistof de druk alzijdig even groot is. Dit imliceert dat als de druk in een beaald unt van de vloeistof bekend is, de kracht o een vlak met willekeurige oriëntatie in dat unt te berekenen valt. Hoe groot is nu die druk in een in rust verkerende vloeistof? In een vloeistof heerst in het algemeen in elk unt een andere druk. Bij homogene en onsamendrukbare vloeistoffen die in rust verkeren, heerst onder invloed van de zwaartekracht over de verticaal een druk welke lineair afhankelijk is van de afstand tot het vrije vloeistof oervlak: de hydrostatische druk. We bewijzen dat de hydrostatische druk lineair met de diete toeneemt. In de figuur is het assenstelsel zodanig gekozen dat het vlak Oxy in het vrije vloeistof oervlak gelegen is. an het oervlak werkt de atmosferische druk o..

Beschouw een vloeistof zuiltje met een hoogte z en een doorsnede dx dy. De druk in het unt (x,y,z) is. De verticale kracht omhoog is: dxdy Het verticale evenwicht van het zuiltje vereist nu dat de som van de verticale krachten gelijk is aan nul. Dus: dxdy + ρ gz dxdy dxdy Hieruit volgt: + ρ gz De druk in het unt (x,y,z) is klaarblijkelijk samengesteld uit de atmosferische druk o, welke aan het oervlak heerst en ρgz, welke deel veroorzaakt wordt door de zwaartekracht. Dit laatste deel neemt inderdaad lineair toe met de diete. (dwz als z tweemaal zo groot wordt dan wordt de druk tweemaal zo groot). In het algemeen is alleen de overdruk van belang, immers aan de binnenzijde en de buitenzijde van bijvoorbeeld een scheesrom is allebei o "aanwezig". De krachten die het gevolg zijn van o heffen elkaar dus o. In het algemeen geldt dus voor de hydrostatische druk: ρ gz.

Uit de combinatie van de wet van Pascal en de formulering voor de hydrostatische druk, volgt dat de drukkracht die bijvoorbeeld o de bodem van een tank wordt uitgeoefend onafhankelijk is van de vorm van de tank, doch alleen van de hoogte van de vloeistofkolom boven de bodem van de tank. Dit noemt men de Hydrostatische Paradox. In de bovenstaande voorbeelden is de druk o de bodem van de tank gelijk. De kracht o de bodem is gelijk omdat het oervlak van de bodem gelijk is. kracht druk * oervlak Zo kunnen bijvoorbeeld o de wanden van een tank grote krachten uitgeoefend worden door de stijghoogte van de vloeistof in een stand- of overlooij. De Paradox geeft aanleiding tot de volgende uitsraken: verschillende hoeveelheden vloeistof kunnen één en dezelfde druk veroorzaken; de o de bodem van een vat of tank werkende kracht kan groter zijn dan het gewicht van de hoeveelheid vloeistof die zich boven de bodem bevindt; de werklijn van de drukkracht o de bodem gaat steeds door het zwaarteunt van de vloeistofzuil boven het oervlak ongeacht of deze zuil daadwerkelijk aanwezig is of niet. Bekende voorbeelden van werktuigen, welke gebaseerd zijn o de hydrostatische druk en de wet van Pascal zijn ondermeer: Voorbeeld.3

De hydraulische ers. Deze bestaat uit twee door een slang of ij doorverbonden cilinders met een sterk verschillend doorsnede oervlak, res. en. Er geldt nu dat: F F In de vloeistof moet nu gelden dat: F F ρ gh ρ gh Bij raktische toeassingen van de hydraulische cilinder is bijna altijd gh velen malen kleiner dan de druk F /, zodat deze term in de vergelijking verwaarloosd mag worden. F F F Er geldt dan dat: F Daar veel kleiner gekozen is dan, is ook de kracht F veel kleiner dan F. Dit betekent dat met een veel kleinere kracht F een aanzienlijk grotere kracht F ontwikkeld kan worden. De verlaatsing van de zuiger zal echter veel groter moeten zijn dan die van omdat het volume vloeistof dat verlaatst wordt door gelijk is aan dat verlaatst door. Het veel grotere oervlak van maakt derhalve slechts een kleine verlaatsing mogelijk. Hierdoor wordt raktisch gesroken de overbrengings-verhouding van zulk een eenvoudig werktuig beerkt. Voorbeeld De hydraulische hevel. Twee afzonderlijke vaten zijn gevuld met vloeistof. De vloeistof heeft in beide vaten een verschillende vloeistofhoogte. De vaten zijn door middel van een geheel met vloeistof gevulde ij met elkaar verbonden. In het hoogste unt van de ij zit een kraan..4

ρ ρ Links van de kraan heerst de druk: gh en rechts van de kraan heerst de druk: gh Daar h < h is > zal als de kraan geoend wordt de vloeistof van vat naar vat stromen. Zo is het dus mogelijk om een hoger gelegen vat leeg te omen in een lager gelegen vat zonder mechanisch bewogen hulmiddelen (om). Terug naar de kracht o een drijvend lichaam. We leiden nu af de kracht welke een ondergedomeld oervlak ondervindt ten gevolge van de hydrostatische druk. Beschouw daartoe een oervlakte elementje d, deel van een groter (gewelfd) oervlak welk een lichaam omsluit. Te denken valt hierbij aan een stukje van de huid van een schi. Hiero werkt de volgende kracht: in de richting van de normaal vector. F T ρ gz d Ontbinden in de x, y en z richting geeft: In x-richting: Fx ρ gz dcosα ρ gz dx In y-richting: Fy ρ gz dcosα ρ gz d In z-richting: Fz ρ gz dcosα 3 ρ gz dz y waarin, en 3 de hoeken voorstellen tussen de normaal vector van het oervlakje en de x-, y- en z-as. Beerken we ons tot de verticale comonent. De z-comonent van de kracht moet evenwicht maken met het gewicht van het lichaam. De sommatie van deze comonent over alle oervlakte elementen waaruit het lichaamsoervlak gedacht kan worden te zijn ogebouwd levert de totale verticale kracht..5

F ρ gz bakboor d stuur boor d Z d Z De integraal zd Z stelt de inhoud voor van het lichaam gerekend tot aan het vrije vloeistof oervlak. Hieruit volgt dat de totale verticale kracht o het lichaam gelijk is aan: F Z ρ g Dit staat bekend als de WET VN RCHIMEDES In woorden: "Een lichaam, dat zich in rust in een vloeistof bevindt, ondervindt een odrijvende kracht die gelijk is aan het gewicht van de door het lichaam verlaatste vloeistof". Tevens kan afgeleid worden, hetgeen hier niet gedaan zal worden, dat de werklijn van de resulterende verticale kracht ten gevolge van de druk over het lichaam gaat door het zwaarteunt van het volume van het door het lichaam verlaatste water. Dit volume zwaarteunt noemt men het drukkingsunt. Tot nu toe is alleen gekeken naar de verticale comonent van de hydrostatische druk. Van de horizontale comonent kan gesteld worden dat de resulterende hiervan voor een drijvend of geheel ondergedomeld lichaam gelijk is aan nul. Dit is eenvoudig in te zien met behul van de onderstaande figuur en geldt in zijn algemeenheid voor alle gesloten contouren. Bezien wij de doorsnede van het schi zoals in de figuur aangegeven. Stel dat dit willekeurig gekozen xz-vlak het schi langsschees doormidden snijdt. De rojectie van het bakboord gedeelte van de scheeshuid o het xz-vlak is gelijk aan de rojectie van het stuurboord gedeelte, of te wel: De linkerkant van de doorsnede is gelijk van vorm aan de rechterkant van de doorsnede, het oervlak van beide doorsneden is aan elkaar gelijk: Derhalve zijn ook de statische momenten van deze rojecties aan elkaar gelijk, zodat de krachten o B en S elkaar exact oheffen. Dit geldt uiteraard voor elke willekeurige.6

ρ ρ verticale doorsnijding, zodat het schi geen resulterende horizontale kracht ondervindt, noch een moment. Terugkerend naar het robleem van de drijvende bak kunnen we nu stellen dat er srake zal zijn van een verticaal evenwicht als het gewicht van de bak G gelijk is aan het gewicht van het door de bak verlaatste water, ofwel: G g g lbt Een tweede noodzakelijke voorwaarde is dat de werklijn van het gewicht G en de odrijvende kracht ρg samenvallen aangezien er alleen dan srake is van momentenevenwicht. Bij een homogene vloeistof en een symmetrische massa verdeling van de bak is dit inderdaad het geval. Voor de beoordeling van het evenwicht is het klaarblijkelijk van essentieel belang het volume van het verlaatste water als ook het bijbehorende volume zwaarteunt te kunnen berekenen, ook als het de over het algemeen zeer gecomliceerde vorm van een schi betreft. Het is daarvoor noodzakelijk de integraal: Z z d Z te kunnen olossen, anders gezegd het volume van het lichaam moet beaald kunnen worden door integratie van bijvoorbeeld de hoogte van het verticale zuiltje over de oervlakte van het lichaam. Hiertoe is het allereerst noodzakelijk om deze vorm in drie dimensies eenduidig te kunnen vastleggen. Uitgaande hiervan kan dan ondermeer met behul van numerieke integratie methoden het volume en zwaarteunt berekend worden. Eerst zullen we nu uiteenzetten hoe de geometrie beschreven wordt..7