荷重の計算について

質問

荷重の計算について
質問です。
高圧洗浄機を秤の上部より連続噴射させると常に約800gの数値が出ています。
水の速さは秒速25m/s、水量は毎分5l、距離が30cmという条件ですが
どういう計算方法にすれば800gという数字が求められるでしょうか？
細かい補正は無視した大雑把な方法で結構ですので
よろしくお願いします。

回答No.2

hakkun628 · ベストアンサー

>また追加で質問よろしいでしょうか？
>(1)圧力は5.6Mpaとなりましたが、この値は高圧洗浄機の噴出圧力（カタログス
>ペック上は6.4Mpa）ととらえてよろしいのでしょうか？

高圧洗浄機の各スペックについてはメーカーにより定義が異なると思われるので正確ではないですが、
おそらく正しいと思います。

>(2)高圧洗浄機で算出した800ｇ重が物体Aに与える衝撃とすると、
>物体Bをある高さからはかりの上に落とし、出てきた瞬間最大荷重を
>物体Aと比較して同じ衝撃として論ずるのはありなのでしょうか？

どのような観点から論ずるのかによると思いますが、
どちらも単位は力ですから同じといえば同じです。
しかし、勝手に察するに、高圧洗浄機が洗浄対象に与える変形やダメージを
「○○ｇの△△が衝突したのと同等」というように例えたいということでしょうか？
そうならば流体の衝突を剛体（あるいは弾性体）の衝突に置き換えるのはちょっと苦しい気がします。
洗浄機の与える力は時間的に継続している上、流体なので力が一点には集中しにくいです。
一方の剛体では瞬間的な力しか加わらないことと、力は一点に集中します。

変形やダメージという観点では加わる力の分布（応力分布）が問題となりますが、
はかりで計測される瞬間最大荷重は、あくまで全体のトータルなので、分布はわかりません。

なので、「衝撃」について秤から得られた結果を使って論じるのは苦しそうです。

的を得ているか不安ですが、取り急ぎ思いついたことを書きました。

的外れでしたらご指摘ください。

補足

ありがとうございます。
トータルでの荷重ということで考えていこうと思います。
衝撃に関する分野は非常に難しいですね。
またお願いします。

回答No.1

hakkun628

ベルヌーイの定理で計算してよいと思います。

まず、水のあたる場所の圧力を求めます。
ベルヌーイ定理から

1/2ρv2+ρgz = P

とすると
ρ（密度）：1000 [kg/m3]
v（速度）: 25 [m/s]
z （高さ）: 0.3[m]
g （重力加速度）:　9.8 [m/s2]

でP=315440　[Pa]

次に水の衝突面積(S)ですが、5L/minの水が25m/sの速度ですので水柱の断面積は

S=0.005[m3]/60[s] /25[m/s] = 3.3E-6 [m2]

秤に掛かる力　＝　P×S　＝　1.04 [N] = 106 [g重]

です。

上記は水の流れをご提示の条件から算出したものですが、実験結果（800ｇ重）には足りないようです。

秤の上に水が溜まっていて、水の自重も一緒に計っているようなことはありませんか？

補足

ありがとうございます。
はかりの上の水はほんの僅かしか溜まりません。
実は速度の算出が大きく誤っておりました。
25→106m/sだと450g重になりますから数字としてはかなり近づきました。
流速は管断面積から算出しましたが、管が入り込んだところにあり正確には測定できません。
管半径0.5mmで計算しましたがこのサイズになると少し変化しただけで結果が大きく変わってきますから
実測との誤差は速度算出からきているのかもしれません。

また追加で質問よろしいでしょうか？
(1)圧力は5.6Mpaとなりましたが、この値は高圧洗浄機の噴出圧力（カタログスペック上は6.4Mpa）ととらえてよろしいのでしょうか？

(2)高圧洗浄機で算出した800ｇ重が物体Aに与える衝撃とすると、
物体Bをある高さからはかりの上に落とし、出てきた瞬間最大荷重を
物体Aと比較して同じ衝撃として論ずるのはありなのでしょうか？