Name: sluice gate water pressure and reaction force
Uploaded: 2025-02-13T15:43:22.000Z
Duration: 1 min 11 s
Channel: JoVE

Ein Schleusentor ist eine vertikale Barriere, die den Wasserfluss in einem Kanal steuert.
Um die Kräfte zu berechnen, die auf ein Schleusentor wirken, betrachten Sie das Wasser, das unter dem Tor hindurchfließt.
Die Kräfte sind abhängig von den Wassertiefen flussaufwärts und flussabwärts.
Auf der Oberseite beträgt die Tiefe z1 und auf der Abwärtsseite z2.
Durch den Druckunterschied zwischen den beiden Seiten entsteht eine Nettokraft auf das Tor.
Nach dem Bernoulli-Prinzip kann die Geschwindigkeit des Wassers unter dem Tor, V2, basierend auf der Druckdifferenz und dem Höhenabfall berechnet werden.
Die Reaktionskraft auf den Schieber berechnet sich aus der hydrostatischen Kraft, die durch die Wassersäule auf beiden Seiten wirkt.
Bei geschlossenem Tor ist die Kraft aufgrund der größeren Druckdifferenz größer.
Wenn der Schieber geöffnet wird, nimmt die Reaktionskraft ab, da das Wasser frei unter dem Schieber hindurchfließt, wodurch die hydrostatische Nettodruckdifferenz verringert wird.
Dieses Prinzip ermöglicht die Bestimmung der Verankerungskraft, die erforderlich ist, um das Tor während des Betriebs an Ort und Stelle zu halten.

konstruktionsbeispiel: kräfte im schleusentor

Design Example: Forces in Sluice Gate

Im Wasserbau sind Schleusentore für die Steuerung des Wasserflusses durch Kanäle, Reservoirs und Bewässerungssysteme unverzichtbar. Schleusentore fungieren als vertikale Barrieren und regulieren das Wasser, indem sie die Öffnungshöhe des Tors anpassen, wodurch sich die Geschwindigkeit und der Druck des unter dem Tor fließenden Wassers ändern. Das Verständnis der beteiligten Kräfte ist entscheidend für die Konstruktion von Schleusentoren, die dynamischen Druckunterschieden standhalten können, insbesondere wenn das Tor geschlossen oder teilweise geöffnet ist.

Zu den wichtigsten Variablen bei der Analyse der Kräfte von Schleusentoren gehören die stromaufwärts gelegene Tiefe z_1​ und die stromabwärts gelegene Tiefe z_2​. Wenn das Tor geschlossen ist, ist die Wassertiefe auf der stromaufwärts gelegenen Seite größer, wodurch ein erheblicher Druckunterschied über das Tor entsteht. Dieser Druckunterschied erzeugt eine Nettokraft, die ein Verankerungssystem erfordert, um das Tor sicher an seinem Platz zu halten. Der auf der stromaufwärts gelegenen Seite ausgeübte hydrostatische Druck ist proportional zur Wassertiefe und zur Schwerkraft, während der stromabwärts gelegene Druck von z_2​ abhängt. Der resultierende Druckgradient über dem Tor erzeugt eine Nettokraft, die gegen das Tor in Richtung der stromabwärts gelegenen Seite drückt.

Wenn das Schleusentor teilweise geöffnet ist, fließt Wasser darunter hindurch, und das Bernoulli-Prinzip kann verwendet werden, um die Geschwindigkeit V_2 stromabwärts zu bestimmen.

<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/18056/18056_Equation_1.svg" style="text-align: center; height: 90px;">

Angesichts der stromaufwärts und stromabwärts gelegenen Tiefen bezieht das Prinzip die Druckänderung aufgrund von Unterschieden in der Wasserhöhe in Beziehung, wodurch V_2 auf der Grundlage von Höhenunterschieden und Druckgradienten berechnet werden kann. Dieser Fluss verringert den auf das Tor ausgeübten Druck, indem er Bewegung statt Ansammlung zulässt, wodurch die Nettokraft verringert wird, da das Wasser frei fließt.

Die Gesamtreaktionskraft auf das Schleusentor wird hauptsächlich durch die hydrostatische Kraft der stromaufwärts gelegenen Wassersäule beeinflusst, die am höchsten ist, wenn das Tor vollständig geschlossen ist. Wenn sich das Tor öffnet und Wasser darunter hindurch fließt, verringert die Verringerung des Druckunterschieds die Reaktionskraft.

<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/18056/18056_Equation_2.svg" style="text-align: center; height: 90px;">

Konstruktionsbeispiel: Kräfte im Schleusentor

Ein Schleusentor ist eine vertikale Barriere, die den Wasserfluss in einem Kanal steuert.
Um die Kräfte zu berechnen, die auf ein Schleusentor wirken, betrachten wir das Wasser, das unter ...

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Bauingenieurwesen

Unit 1

Einheit 1

Finite Control Volume Analysis

Finite-Kontrollvolumen-Analyse

KEY TERMS AND CONCEPTS

WICHTIGE BEGRIFFE UND KONZEPTE

sluice gate water pressure and reaction force

Sluice gates control water flow in channels, reservoirs, and irrigation systems. They work as vertical barriers with an opening that can be raised or lowered. Changing the opening height changes the water velocity and pressure below the gate.

The forces on a sluice gate depend on the water depths upstream and downstream, written as z1 and z2. When the gate is closed, the upstream water depth is greater. That creates a strong pressure difference across the gate and a net force toward the downstream side. In that case, the gate needs an anchoring system to keep it secure.

The pressure on the upstream side is hydrostatic pressure, which depends on water depth and gravity. The downstream pressure depends on z2. Together, these pressures create the pressure gradient that pushes on the gate.

When the sluice gate is partially open, water flows beneath it. Bernoulli's principle can then be used to find the downstream velocity, V2, from the upstream and downstream depths. As the water moves through the opening instead of building up, the pressure difference becomes smaller and the reaction force on the gate decreases. The total reaction force is therefore highest when the gate is fully closed and lower as the gate opens.

Sluice Gate Water Pressure and Reaction Force

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conservation of mass in finite cotrol volume

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Continuity Equation for a Fixed Control Volume

The continuity equation describes conservation of mass for a fixed control volume. In fluid mechanics, a system is a collection of the same contents over time, and its mass stays constant. That idea is the starting point for deriving the equation. To analyze flow, a fixed, non-deforming control volume is chosen so it matches the system at one instant. The Reynolds transport theorem then links the system to the control volume. It shows that the rate of change of system mass has two parts: mass...

conservation of mass in fixed, nondeforming control volume

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Continuity and Velocity in Pipe Flow

Conservation of mass explains how fluid moves through a fixed control volume such as a pipe or duct. In a fixed, nondeforming control volume, the total mass stays constant unless mass enters or leaves through the control surfaces. For steady, incompressible flow, the mass entering the system equals the mass leaving it. A sewer pipe is a useful example of this idea. It can be treated as a fixed control volume with inlet and outlet control surfaces around the flow region. Because the fluid is...

conservation of mass in moving, nondeforming control volume

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Stormwater Detention Basin Mass Balance

Stormwater detention basins use mass balance to manage runoff during heavy rainfall. These basins are especially important in urban areas, where impervious surfaces can increase flooding risk. Engineers use the conservation of mass to track how water enters, is stored in, and leaves the basin. In a detention basin, the control volume is the water inside the basin. Its boundaries are the basin walls, the inflow pipes, and the outflow structures. During a rain event, water comes in through the...

linear momentum in control volume

Momentum Balance for Fluid Control Volumes

Linear momentum balance for a fluid control volume links Newton’s second law to moving fluid. The law says that the rate of change of linear momentum equals the sum of the external forces acting on the system. In a fluid system, this idea helps explain how motion and force are related. A control volume can match the fluid system at a specific moment. When that happens, the forces on the control volume and the system are the same. Reynolds transport theorem explains this connection by splitting...

application of the linear momentum equation

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Forces in a 180° Pipe Bend

Forces in a 180-degree pipe bend can be found by applying the linear momentum equation to flowing water. The pipe has a constant cross-sectional area of 0.01 square meters, and the water moves at 15 meters per second. The pressure at the inlet is 0.2 megapascals, and the pressure at the outlet is 0.16 megapascals. The goal is to find the force components in the x and y directions that hold the bend in place. In this case, the flow is only in the y direction at both the entrance and the exit.

moment-of-momentum equation

Wind Turbine Torque and Angular Momentum

The moment-of-momentum equation helps explain how wind turbine blades create torque. Torque is the turning effect of a force around an axis. In rotating systems, this equation links the motion of the wind with the force acting on it. The equation begins with Newton's second law for a fluid particle. That law says the rate of change of linear momentum equals the external force on the particle. To find torque, the position of the particle relative to the rotation axis is combined with that force.

conservation of energy in control volume

Turbine Work from Energy Changes

A turbine can turn fluid energy into shaft work when flow passes through a control volume. The fluid enters the turbine at one point and leaves at another. Under steady-flow conditions, there is no energy buildup inside the control volume, so the stored energy does not change with time. This steady-flow setup makes the energy equation simpler. The turbine is treated as doing mechanical work, and heat transfer is taken as negligible, so Q̇ is approximately zero. The flow at the inlet and outlet...

application of the energy equation

Centrifugal Pump Flow Rate Calculation

Centrifugal pump flow rate can be calculated with the energy equation. In this problem, water moves between two reservoirs at different elevations, and the pump provides the energy needed for the transfer. The pump input is 7500 joules per second, the elevation difference is 10 meters, and the head loss from friction and other resistances is 5 meters. Both reservoirs are open to the atmosphere, so the pressure at the inlet and outlet is the same. That means the pressure terms in the energy...

design example: forces in sluice gate

Sluice gates control water flow in channels, reservoirs, and irrigation systems. They work as vertical barriers with an opening that can be raised or lowered. Changing the opening height changes the water velocity and pressure below the gate. The forces on a sluice gate depend on the water depths upstream and downstream, written as z1 and z2. When the gate is closed, the upstream water depth is greater. That creates a strong pressure difference across the gate and a net force toward the...

key terms and concepts

Learn how upstream and downstream water depths affect pressure, flow speed, and reaction force on a sluice gate when it is closed or partially open.

Sluice Gate Water Pressure and Reaction Force | JoVE K12

JoVE Core Civil Engineering provides a foundational exploration of essential construction materials in civil engineering, focusing on bricks, stones, steel, wood, and concrete through easy-to-understand animated videos. This collection covers the properties, manufacturing processes, and practical applications of these materials. Additionally, the accompanied science-in-action videos demonstrate the research experiments performed in laboratories.

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Sluice Gate Water Pressure and Reaction Force

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