例題集

流体の静力学(13) 回転運動の相対的静止

適用レベル   難易度: ★★★
図に示すような半径$R$の円筒容器に密度$\rho$の液体を入れ,垂直軸まわりに一定の角速度$\omega$で回転させる. 次の問いに答えよ. %=image:/media/2015/01/15/142125780885835700.png: $(1)$ 垂直方向($y$方向)の微小要素(a)について,力のつり合い式を立てて,垂直方向の圧力変化$\frac{\partial p}{\partial y}$を求めよ. $(2)$ 回転の半径方向($r$方向)の微小要素(b)について,ダランベールの原理による力のつり合い式を立てて,半径方向の圧力変化$\frac{\partial p}{\partial r}$を求めよ. $(3)$ 圧力$p(r,y)$の全微分は$dp=\left(\frac{\partial p}{\partial r} \right)dr + \left(\frac{\partial p}{\partial y} \right)dy$である. このことにより,自由表面$(p=p_0)$となる液面の形状が次式で表現されることを示せ. ただし,液面の中心部$(r=0)$における液面高さを$y=0$とする. \[ y=\frac{\omega^2 r^2}{2g} \]
$(1)$ \[ p\cdot dA-\left(p+\frac{\partial p}{\partial y} dy \right)dA-\rho \cdot dA\cdot dy\cdot g=0\\ \frac{\partial p}{\partial y}dy = -\rho \cdot dy \cdot g\\ \therefore \frac{\partial p}{\partial y} = - \rho g \] $(2)$ \[ p\cdot dA \cdot dr \cdot r\omega^2+p\cdot dA- \left(p+\frac{\partial p}{\partial r}dr \right)=0\\ \rho \cdot dr \cdot r\omega^2- \frac{\partial p}{\partial r}dr=0\\ \therefore \frac{\partial p}{\partial r}=\rho r \omega^2 \] $(3)$ \[ dp=\left(\frac{\partial p}{\partial r} \right)dr + \left(\frac{\partial p}{\partial y} \right)dy\\ dp=\rho r \omega^2\cdot dr+\rho g \cdot dy\\ \] 液面では$dp=0$だから,液面の微分方程式は \[ \rho g \cdot dy=\rho r \omega^2\cdot dr \] \[ \frac{\partial p}{\partial r}=\frac{r \omega^2}{g} \] 両辺を積分して \[ y=\frac{\omega^2 r^2}{2g}+C \] ここで$r=0$で$y=0$だから, \[ C=0 \] \[\therefore y=\frac{\omega^2 r^2}{2g} \]