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유체역학 2-5,6,7,8
환경공학과
20081453
안다미
HW 2-5 삼각 수문(GATE) (그림 2.12)가 를 따라 힌
지(HINGE)로 연결되어 있고 에 작용하는 수직력 에
의하여 열려진다. 수문 윗부분에는 비중 O.8인 기름
이 채워져 있고 아래 부분은 대기 중에 개방되어 있
다. 수문의 무게를 무시하고 다음을 구하여라. (A) 수
문에 작용하는 힘의 크기를 적분으로, 그리고 식
(2.5.2)를 적용하여 구하라. (B)압력중심의 위치, (C)
수문을 여는데 필요한 힘의 크기 .
HW2-5 A) 수문에 작용하는 힘의 크기를 적분으
로, 그리고 식 (2.5.2)를 적용하여 구하라

(a) 그림 2.12를 참조하여 적분하면
F 


pdA   sin 
A

yxdy   sin 
3  6 .5 a  b
a, b에 관해서 풀고, a, b의 값을 제 1식에 대입하여 x의 값을
y의 항으로 나타낼
수 있다.
6
48
6
b
x
5
( y  8)
5
같은 방법으로 y=13 , x=6 과 y=18, x=0으로부터 x=6(18y)/5, 따라서
6 13
F   sin  [  ( y  8 ) dy 
5
5

18
(18  y ) ydy ]
13
이 식을 적분하고 rsinθ의 값을 대입하면, 합력의 크기를 얻는
다.


6  y
y  
13
3
F  62 . 4 ( 0 . 8 )( 0 . 05 )

xydy
6 .5
0  4a  b
5


9
x가 y에 따라 선형적으로 변화하고, y = 4에서 x = O, y = 6.5
에서 x=3이므로
a

xydy   sin 
4
x  ay  b


6 .5
식 (2.5.2)로부터
3
15
   9734 . 41 lb

 4 y    9 y 

5   3
3


 13 
5

2
2
F  p G A   y sin  A  62 . 4 ( 0 . 08 )( 13 )( 0 . 05 )( 30 )  9734 . 4 lb
(B)압력중심의 위치, (C)수문을 여는데 필요
한 힘의 크기 .

(b) 도시된 좌표축에 대하여 도심의 위치는 x  2 .0 ,
이다. 식 (2.5.8)을 다시 쓰면
I
xp 

xy
y  13
x
yA
작용면은 x축에 평행한 도심축에 관하여 대칭이므
로 I  0, 따라서 x  x  1 .0 m 이다. 식 (2.5.11)로부터
p
xy
yp  y 
IG
yA
 2
1  3  2 .5
3
12  6 . 5  7 . 5
 0 . 16 m
즉, 압력중심은 도심보다 수문면을 따라 측정해서
O.32 ft 아래에 위치한다.
 (c) 기름에 의한 효과를 합력으로 대치하고, CD에
관한 모멘트평형을 취하면

( P )( 6 )  9734 . 4 ( 2 )
P  3244 . 8 lb
2-6 수로의 높이가 일정 높이 [그림 2.14(A)]로 되면
수문이 열려 물이 쏟아지도록 설계된 구조물이 있다. 수문
은 2,500의 무게를 갖는 강철판으로 되어있다. 높이 를 구
하라.
HW
지면에 수직으로 단위 폭을 갖는 수평부분 [그림
2.14(b)]에 작용하는 힘을 밑면적 1.2m2, 일정높이
 yN / m 인 압력프리즘의 부피로 주어지므로 그 크기가
F y  1 . 2  yN 이고 압력중심은 밑면의 도심이 된다.
수직면의 압력프리즘은 밑면이 ym2 이고 높이가 0부
터 ryN / m 2 까지 변하는 쐐기모양이다[그림
2
F


y
/ 2N

y
/
2
x
2.14(c)]. 평균높이가
이므로
이다.
쐐기모양 프리즘의 체심은 힌지로부터 y/3 높이에
있다. 수문 밑면부분의 강판 무게 3,000N이 그의
중심에 작용한다. 그림 2.14(d)는 모든 힘과 모멘트
계산을 위한 거리가 圖示(도시)되어 있다. 수문이
기울기 시작하려는 순간의 높이 에 대하여 평형방정
식을 세우면, 힌지에 대문이 기울기 시작하려는 순
간의 높이 에 대하여 평형방정식을 세우면, 힌지에
대한 모멘트 합이 0이어야 하므로

2
M  ( 3000 N )( 0 . 6 m )  (1 . 2  yN )( 0 . 6 m )  (
y
2
2
N )(
y
3
m)  0

혹은
M  y  4 . 32 y  1 . 1014  0
3

위 방정식은 두개의 근 중 오직 하나만이 식의 근을
갖는다. 그 값은 2와 3사이의 값임을 쉽게 알 수 있
다. Newton-Raphson법(부록 B.5)을 사용하면 이
방법은 일종의 축차법이다.
y의 초기값을 적절히 가정한다. 예컨대, y=2.5로 하
고 식의 우변에 대입하면 좀 더 근접한 y값이 나온
다. 세 번 반복하여, y=2.196m를 얻는다.


hw 2-7
평면에 작용하는 압력에 의한 힘의 한 응용으로서 중력
댐(gravity dam)의 설계가 있다. 댐에 작용하는 힘들로
부터 댐 밑면에서의 최대압축응력과 최소압축응력을 계
산할 수 있다. 그림 2.15는 콘크리트 댐의 한 단면을 표
시한 그림이다. 콘크리트의 비중량은 2.5이고, 는 물의
비중량이다. 폭 1ft의 댐을 자유물체로 생각한다. 자유물
체에 작용하는 힘들은 콘크리트, 물, 기초압력
(foundation pressure) 그리고 정수력학적 융기
(hydrostatic uplift)등에 의한 힘을 들 수 있다. 정수력
학적 융기의 크기를 결정하는 문제는 이 책의 정도를 벗
어나지만, 여기서는 댐의 상단에서 정수압력수두
(hydrostatic head)의 1/2이 작용하고, 이것이 선형적으
로 감소하여 하단에서는 0이 된다고 가정한다. 충분한
마찰력, 다시 말해서 전단응력이 댐의 밑바닥에 발생되
어 수압에 의하여 댐을 밀어내는 힘과 평형을 이루어 야
한다. 즉, 이다. 밑바닥에서 댐을 밀어 올리려는 결과력
은 댐의 무게에서 정수력학적융기력을 뺀 것과 같다. 즉,
이고, 작용점은 자유물체가 평형을 이루는 점이다. 0점
에 관한 모멘트를 취하면
M


그리고
0
 0  R y x  5000  ( 33 . 33 )  2625  ( 5 )  1750  ( 23 . 33 )
x=44.8ft
통상 기초압력은 댐 밑면에 걸쳐 선형적으로 변화하는
것으로 가정한다. 즉, 압력 프리즘은 Ry와 같은 부피를


갖는 사다리꼴이 된다. 따라서,
70  7625 
max
min
2

여기서бmax 와бmin 은 lb/ft2의 단위라 표시한 최대, 최소
압축응력이다. 압력프리즘의 체심은 x=44.8ft지점에 위
치한다. 체심의 위치를 бmax 와бmin 항으로 나타내기 위하
여 점0에 관한 모멘트를 취한다. 식을 정리하면
 max  11 . 75  min


따라서
 max  210   12500 lb / ft
2
 min  17 . 1  1067 lb / ft
2
을 얻는다. 밑면에 작용하는 합력의 작용점이 댐 밑면을
3등분 했을 때 중앙부분에 오기만 하면 бmin 은 항상 압
축응력이 된다. 콘크리트는 인장에 매우 취약하므로 좋
은 설계가 되기 위해서는 합력이 밑면의 3등분 중 중앙
에 작용하도록 설계하는 것이 요망된다.
2-8 곡면에 작용하는 합력의 수평성분을 구
하는 방법을 그림을 이용하여 식을 포함하여 설
명하라.
HW

곡면에 작용하는 전압력의 수평성분은 곡면의 연직투영
면적에 작용하는 전압력과 같다. 연직투영면과 수평성분
의 방향은 서로 수직한다. 그림 2.18의 곡면은 임의의 3
차원 곡면을 나타내고 있다. 는 미소 면적소이고 에 수직
한 수직선은 음의 x축과 의 각을 이룬다. 의 한쪽 면에
 F x  p  A cos 
작용하는 전압력의 x방향성분은
이다.
여기서cos    A 는 x축과 수직한 평면에 대한 δA의
투영면적과 같다. 그러므로 δA의 투영면적에 작용
하는 힘의 크기는 pcosθδA이고, 이 힘의 방향은 x
축 방향이다. 각각의 면적을 x축에 수직한 평면에
투영시켜 합한 면적은 곡면 전체를 x축에 수직한 연
직면에 투영시킨 면적과 같다. 따라서 연직면에 사
용한 곡면의 투영면적에 작용하는 전압력은 곡면에
작용하는 전압력의 투영면에 수직한 방향의 수평성
분과 같다. 곡면에 작용하는 전압력의 x축에 수직한
방향의 수평성분(y 방향)을 구하려면, x축과 평행한
(y축에 수직한)연직면에 그 곡면을 사용한 투영면
적에 작용하는 전압력을 계산하면 된다.
 곡면에 작용하는 합력의 수평성분이 작용하는 작용
선을 구하려면, 각면적에 작용하는 힘의 성분으로
구성되는 평형력계의 합력을 필요로 한다. 이 합력
은, 두 역계가 본질적으로 동일한 수평성분력 분포
를 가지므로, 토영면상에 위치한다.
