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高考申論題 105年 [水利工程] 流體力學

第 二 題

📖 題組:
一、(每小題 10 分,共 20 分)
圖一
📝 此題為申論題,共 2 小題

小題 (二)

若此 U 型管以ω作等速旋轉(此時沒有水平加速度 a),則左右兩邊那邊液面較高?高多少?

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這題轉入「剛體旋轉運動(等角速度旋轉)」的考點。思考方向應轉換為旋轉產生的離心力對等壓面的影響。流體作等速旋轉時,自由表面會呈拋物面形狀,且距離旋轉軸越遠,液面越高。考生需利用旋轉拋物面的高度公式 $z = \omega^2 r^2 / (2g)$,分別代入左管與右管的旋轉半徑,計算出各自的高度後相減即可得到高度差。

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【考點分析】 本題測驗流體受繞固定軸等角速度旋轉時的剛體旋轉(Rigid-body rotation)行為,核心在於運用旋轉流體的等壓面(拋物面)方程式計算不同半徑處的高度。 【理論/法規依據】

小題 (一)

U 型管如圖一所示,受到水平加速度 a 的作用後,則左右兩邊那邊液面較高?高多少?

思路引導 VIP

看到本題,首先要辨識出這是流體靜力學中的「剛體平移運動(等加速度運動)」考點。接著應該從尤拉方程式(Euler's equation)或等壓面公式切入。思考水平向右的加速度會造成流體產生與加速度方向相反的慣性力,導致液面左高右低。解題關鍵在於根據圖示找出兩邊水管中心到基準點的距離,進而算出兩管的水平距離總和,再乘上等壓面斜率求得高度差。

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【考點分析】 本題測驗考生對流體剛體平移(Rigid-body translation)的觀念,重點在於推導流體受恆定直線加速度時,自由表面(等壓面)的傾斜角度與高度差。 【理論/法規依據】

📝 流體剛體旋轉計算
💡 旋轉流體之自由液面呈拋物面,高度隨半徑平方增加。
  • 確認旋轉軸位置,精確定義各管路截面之水平旋轉半徑 r。
  • 引用等壓面方程式:z = (ω²r²)/(2g) + C 作為論述基礎。
  • 分析半徑與高度關係:離旋轉軸愈遠(r 較大)則液面愈高。
  • 計算高度差 Δh 時,應代入兩點半徑平方差進行推導。
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直線等加速度流體 強迫渦流 (Forced Vortex) 等壓面方程式推導

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