Hidraulica

Unidad 1. Hidráulica

 CONOCIMIENTOS DE HIDRÁULICA

Para emprender el estudio de la hidráulica es conveniente, tener un conocimiento claro de los principios fundamentales de la física. A continuación se presentan algunos de estos conceptos

 HIDRÁULICA

Es una es una de las principales ramas de la Ingeniería Civil que trata los problemas relacionados con la utilización y el manejo de los fluidos, principalmente el agua. Esta disciplina se avoca, en general, a la solución de problemas tales como, el flujo de líquidos en tuberías, ríos y canales y a las fuerzas desarrolladas por líquidos confinados en depósitos naturales, tales como lagos, lagunas, estuarios, etc., o artificiales, como tanques, pilas y vasos de almacenamiento, en general.

El desarrollo de la hidráulica se ha basado principalmente en los conocimientos empíricos transmitidos a través de generaciones y en la aplicación sistemática de ciencias, principalmente Matemáticas y Física. Una de estas ciencias, es la Mecánica de los Fluidos, que proporciona las bases teóricas en que descansa la hidráulica.

 FLUIDOS

En general, la materia puede clasificarse por las formas físicas en que se presenta. Estas formas, conocidas como fases, son la sólida, la liquida y la de gas o vapor. Los fluidos comprenden las fases líquida y gaseosa (o de vapor) de la materia. En general, todos estamos familiarizados con las características distintivas de esas fases, comparadas con la fase sólida. Sin embargo, también sabemos que los líquidos y los gases tienen aspectos completamente distintos; por lo tanto, debemos buscar una característica común que nos permita clasificarlos simplemente como fluidos. Al discutir la dinámica de fluidos, nos interesa el comportamiento de los fluidos en movimiento y la forma en que este comportamiento se relaciona con los momentos y las fuerzas aplicados.

Tanto los líquidos como los gases y vapores tienen en común una forma distinta de reaccionar cuando están sometidos a esfuerzos tangenciales, lo cual explica su «fluidez» y proporciona la clave básica para desarrollar los principios de la hidráulica.

 PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS

Una propiedad es una característica de una substancia, invariante cuando la substancia está en un estado particular. En cada estado la condición de la substancia es única y está descrita por sus propiedades.

Debemos hacer una distinción en Hidráulica entre propiedades extensivas, cuyos valores dependen de la cantidad de substancia presente, y propiedades intensivas, las cuales tienen valores independientes de la cantidad existente. Por ejemplo, el volumen, la energía y el peso totales de una substancia son propiedades extensivas.

Los valores específicos correspondientes, a saber, volumen por unidad de masa, energía por unidad de masa, y peso por unidad de volumen, son propiedades intensivas. La temperatura, la presión, la viscosidad y la tensión superficial son también independientes de la cantidad de substancia presente, por tanto, son propiedades intensivas. Las propiedades intensivas son los valores que se aplican a una «partícula» del fluido. Sobre cualquier volumen o masa finitos en un sistema, los valores intensivos pueden cambiar de partícula a partícula.

 FLUJO DE AGUA EN UN CONDUCTO

El flujo de agua en un conducto puede ser flujo en canal abierto o flujo en tuberías. Estas dos clases de flujo son similares en muchos aspectos pero se diferencian en un aspecto importante. El flujo en canal abierto debe tener una superficie libre, en tanto que el flujo en tuberías no la tiene, debido a que en este caso el agua debe llenar completamente el conducto.

 FLUJO NO UNIFORME EN CONDUCTOS

Un flujo es caracterizado como no uniforme si el vector velocidad en puntos sucesivos a lo largo de una línea de corriente, cambia de dirección o de magnitud. La mayor parte de los flujos no uniformes son causados por uno o más de los factores siguientes:

(a) Aumento o disminución de IU velocidad y de IU presión del fluido.

A menudo, es necesario alterar la forma o tamaño de un conducto, a fin de cambiar la velocidad o la presión. En el diseño de un túnel de viento de alta velocidad, por ejemplo, es antieconómico, desde un punto de vista de pérdida de energía, mantener a lo largo de todo el circuito la alta velocidad necesaria en la sección de prueba. Por lo tanto, el flujo es acelerado antes de la sección de prueba, y desacelerado en aguas abajo de ella.

(b) Aparatos de medición de flujos. Un cambio en el área de la sección transversal produce un flujo no uniforme y da como resultado un cambio en la presión, el cual es función del gasto en volumen o en masa. Por lo tanto, al medir la diferencia de presiones puede determinarse el gasto de la corriente.

A menudo es deseable llevar a cabo cambios de área, con la más pequeña disipación posible de energía.

(c) Aparatos de control de flujo. La variación del gasto puede lograrse por medio de un aparato diseñado para producir disipación de energía; por ejemplo, una válvula hace esta labor, creando una zona de separación, aguas abajo de un cambio brusco de área.

(d) Cambio en la dirección de flujo. Un codo en el conducto introduce no uniformidades en el flujo y puede causar una considerable disipación de energía, a menos de que se diseñe adecuadamente.

(e) Flujo alrededor de objetos inmersos. Un objeto inmerso en un fluido generalmente produce un flujo no uniforme en el fluido que está a su alrededor.

Usualmente estamos interesados en la fuerza resultante sobre el objeto, debida al campo del flujo.

 CANALES HIDRAULICOS

Se denomina canal a una construcción destinada al transporte de fluidos generalmente utilizada para agua y que, a diferencia de las tuberías, es abierta a la atmósfera. También se utilizan como vías artificiales de navegación. La descripción del comportamiento hidráulico de los canales es una parte fundamental de la hidráulica y su diseño pertenece al campo de la ingeniería hidráulica.

Los canales se pueden clasificar según el uso final que tengan: canales para agua potable, riego, drenaje, energía hidroeléctrica, etc.

Los canales tienen la finalidad de conducir los caudales de captación desde la obra de toma hasta el lugar de carga o distribución, de acuerdo a la naturaleza del proyecto y en condiciones que permitan transportar los volúmenes necesarios para cubrir la demanda.

En general, el canal de aducción en una cuenca de montaña, es la obra que requiere las mayores inversiones comparando con las demás obras civiles de un sistema hidráulico, ya que debido a su longitud y condiciones topográficas, los volúmenes de excavación, materiales de construcción, etc. superan en general al resto de obras civiles (obra de toma, cámara de carga o tanque de almacenamiento). En muchos casos el costo de inversión del canal será fundamental para establecer la viabilidad de un proyecto.

 TIPOS DE CANALES.

Canales Naturales

Se denomina canal natural a las depresiones naturales en la corteza terrestre, algunos tienen poca profundidad y otros son más profundos, según se encuentren en la montaña o en la planicie.

Canales de riego.

Éstos son vías construidas para conducir el agua hacia las zonas que requieren complementar el agua precipitada naturalmente sobre el terreno.

Canales de navegación.

Un canal de navegación es una vía de agua hecha por el hombre que normalmente conecta lagos, ríos u océanos.

Características geométricas e hidráulicas de un canal

Las características geométricas son la forma de la sección transversal, sus dimensiones y la pendiente longitudinal del fondo del canal.

Las características hidráulicas son la profundidad del agua (h, en m), el perímetro mojado (P, en m), el área mojada (A, en m 2) y el radio hidráulico (R, en m), toda función de la forma del canal. También son relevantes la rugosidad de las paredes del canal, que es función del material en que ha sido construido, del uso que se le ha dado y del mantenimiento, y la pendiente de la línea de agua, que puede o no ser paralela a la pendiente del fondo del canal.

El radio hidráulico se define como:

Donde y son el área y el perímetro mojado.

 FLUIDOS

Se denomina fluido a un tipo de medio continuo formado por alguna sustancia entre cuyas moléculas hay una fuerza de atracción débil. Los fluidos se caracterizan por cambiar de forma sin que existan fuerzas restitutivas tendentes a recuperar la forma "original" (lo cual constituye la principal diferencia con un sólido deformable). Un fluido es un conjunto de partículas que se mantienen unidas entre sí por fuerzas cohesivas débiles y/o las paredes de un recipiente; el término engloba a los líquidos y los gases. En el cambio de forma de un fluido la posición que toman sus moléculas varía, ante una fuerza aplicada sobre ellos, pues justamente fluyen. Los líquidos toman la forma del recipiente que los aloja, manteniendo su propio volumen, mientras que los gases carecen tanto de volumen como de forma propios. Las moléculas no cohesionadas se deslizan en los líquidos, y se mueven con libertad en los gases. Los fluidos están conformados por los líquidos y los gases, siendo los segundos mucho menos viscosos (casi fluidos ideales).

Características

• Movimiento no acotado de las moléculas. Son infinitamente deformables, los desplazamientos que un punto material o molécula puede alcanzar en el seno del fluido no están acotados (esto

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