解答题 5.[2002年] 某闸门的形状与大小如图1.3.5.16所示,其中直线l为对称轴,闸门的上部为矩形ABCD,下部由二次抛物线与线段AB所组成,当水面与闸门的上端相平时,欲使闸门矩形部分承受的水压力与闸门下部承受的水压力之比为5:4,闸门矩形部分的高h应为多少米?(单位:m)
【正确答案】 依据水压力的计算公式P=ρghA(A是平板的面积),利用微元法求之.先利用定积分求出两部分所受的水压力的表达式,再根据两者的关系求出h.
解一 如图1.3.5.1 7所示,抛物线的方程为y=x2.当y=1时,x=±1.
闸门矩形部分承受的水压力微元为
dP1=ρg(h+1一y)(深度)·[1-(一1)]dy(面积微元),
故 P1=∫1h+1dP1=2∫1h+1ρg(h+1-y)dy=2ρg[(h+1)y一]1h+1=ρgh2
其中ρ为水的密度,g为重力加速度.闸门下部承受的水压力微元为
dP2=ρg(h+1一y)(深度)·[√y一(一√y)]dy(面积微元)=2pg(h+1一y)√ydy,
故 P2=∫01dP2=2∫01ρg(h+1一y)√ydy=4ρg.
由题意知
由此解得h=2,h=一1/3(舍去),故h=2(m).
解二 如图1.3.5.18所示建立坐标系,此时抛物线方程为
x=h+1一y2 (0≤x≤h+1),
且x=h时,y=±1,因而矩形两边的方程为y=1,y=一1.
在此坐标系下闸门矩形部分承受水压力微元为
dP1=ρgx(深度)·[1一(一1)]dx(面积微元)=2ρgx dx,
故 P1=∫0hdP1=∫0h2ρgxdx=ρgh2
闸门下部承受的水压力微元为
dP1=ρgx(深度)·dx(面积微元)
=2ρgxdx,
故P2=∫hh+1dP2=∫hh-12ρgx014ρgt2(h+1一t2)dt
=4ρg
【答案解析】