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高考申論題 112年 [水利工程] 流體力學

第 二 題

📖 題組:
如下圖,一圓球以鋼絲懸於空中,受風吹動後與垂直成一角度,試推導角度 θ 與風速 U、球直徑 D、球密度 ρs、阻力係數 CD 與空氣密度 ρa 之間的關係。(13 分)
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📝 此題為申論題,共 2 小題

小題 (二)

若風速 U = 10 m/s、球直徑 D = 15 cm、球質量 M = 0.5 kg,求角度 θ?(12 分) CD = 0.5,空氣密度ρa=1.2 kg/m3

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看到此題,應立即聯想到「剛體靜力平衡」與「流體阻力」的結合。解題關鍵在於畫出圓球的自由體圖(FBD),列出水平方向的空氣阻力與垂直方向的有效重力(推導時以嚴謹含空氣浮力為佳),利用各力與繩索張力的分量平衡關係,即可推導出關係式並代入數值求得懸角 θ。

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【解題思路】利用牛頓第一運動定律(靜力平衡)與流體阻力公式,建構圓球的自由體圖(FBD),並建立水平與垂直方向之受力平衡方程式。 【詳解】 一、 物理量關係推導(13 分)

小題 (一)

如下圖,一圓球以鋼絲懸於空中,受風吹動後與垂直成一角度,試推導角度 θ 與風速 U、球直徑 D、球密度 ρs、阻力係數 CD 與空氣密度 ρa 之間的關係。(13 分)

思路引導 VIP

解題核心在於結合「流體阻力公式」與「質點靜力平衡」。看到此題應首先畫出圓球的自由體圖(FBD),精確標示出其受到的水平風阻、垂直向下的淨重(重力扣除空氣浮力),以及沿鋼絲方向的張力。接著利用 X、Y 方向合力為零建立方程式,兩式相除消去未知張力即可求出角度關係。

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【解題思路】運用質點靜力平衡分析結合流體阻力公式,繪製自由體圖(FBD)並將各力正交分解即可求解。 【詳解】 已知與假設:

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