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

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