GWCB006 問題3
問題文
底面積が異なる2つの円柱形容器の底面が受ける水圧
問題文
大気中において、水平な床の上に、ともに上面が開いた円柱形の容器Aと容器Bが鉛直に置かれている。容器Aの底面積は SA、容器Bの底面積は SB であり、 SA>SB の関係がある。
いま、容器Aと容器Bに、それぞれ質量 m の水を静かに注いだところ、水はすべて各容器内にとどまり、水面は静止して水平になった。大気圧を P0、水の密度を ρ、重力加速度の大きさを g とするとき、容器Aの底面が受ける水圧(絶対圧) PA と、容器Bの底面が受ける水圧(絶対圧) PB の差 PB−PA を求めよ。
制約
- P0=1.01×105 Pa
- ρ=1.00×103 kg/m3
- g=9.80 m/s2
- m=4.90 kg
- SA=2.00×10−2 m2
- SB=1.00×10−2 m2
入力形式
水圧の差 PB−PA [ Pa ]の値をそのまま自然数で入力せよ。
解説
解説
各容器における水柱の高さの算出
円柱形の容器において、注いだ液体の質量を m、液体の密度を ρ、容器の底面積を S とすると、液体の体積 V は ρm と表されます。 また、液面の高さ(水面の深さ) h は、体積を底面積で割ることで次のように求められます。
h=SV=ρSmこれより、容器Aにおける水の高さ hA と、容器Bにおける水の高さ hB はそれぞれ以下のようになります。
hA=ρSAm hB=ρSBm各容器の底面における水圧の立式
水面から深さ h の位置における水圧(絶対圧) P は、大気圧 P0 を考慮して P=P0+ρgh で表されます。 したがって、それぞれの容器の底面における水圧は次のようになります。
PA=P0+ρghA=P0+ρg(ρSAm)=P0+SAmg PB=P0+ρghB=P0+ρg(ρSBm)=P0+SBmg水圧の差の計算と数値代入
求める水圧の差 PB−PA を計算します。共通する大気圧 P0 は相殺されます。
PB−PA=(P0+SBmg)−(P0+SAmg)=mg(SB1−SA1)ここで、制約欄の数値を代入します。 まず、分子の mg を計算します。
mg=4.90 kg×9.80 m/s2=48.02 N次に、括弧の中の断面積の逆数の差を計算します。
SB1−SA1=1.00×10−2 m21−2.00×10−2 m21=100−50=50 m−2これらを掛け合わせます。
PB−PA=48.02×50=2401 Paしたがって、容器Bと容器Aの底面における水圧の差は 2401 Pa となります。
解答:2401