Antologia de Hidráulica - instituto tecnologico superior de

INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE ZONGOLICA.
HIDRÁULICA
I.M. JOSÉ ALFREDO PETRILLI CAMBAMBIA
28 DE ENERO DEL 2014
Hidráulica
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PROPÓSITO DEL CURSO
Esta asignatura aporta al perfil del Ingeniero en Innovación Agrícola
Sustentable e Ingeniero en Agronomía, la capacidad de conocer y aplicar los
principios hidráulicos apropiados a la ingeniería en proyectos relacionados con el
almacenamiento, conducción y distribución del recurso agua.
Para integrarla se ha hecho un análisis del campo de la física, identificando
los temas de sistemas de unidades, sistemas de fuerzas en equilibrio, cálculo de
momentos y sistemas de vectores.
Esta materia dará soporte a otras, más directamente vinculadas con
desempeños profesionales; se inserta en la primera mitad de la trayectoria
escolar; antes de cursar aquéllas a las que da soporte. De manera particular, lo
trabajado en esta asignatura se aplica en el estudio de los temas: propiedades de
los fluidos, aparatos de medición, presión en superficies planas, presión en
superficies curvas, ley de la conservación de la masa, ley de la conservación de la
energía, circulación del agua en orificios, canales, vertedores y tuberías, entre
otros.
OBJETIVO DE LA MATERIA.
El alumno conocerá las propiedades de los fluidos, los aparatos de
medición y las leyes que rigen el comportamiento de los líquidos en reposo.
Aplicara los principios de movimiento de fluidos en conductos cerrados y
abiertos en la solución de problemas de transporte.
Podrá resolver problemas de flujo
través de orificios y vertedores.
en conductos cerrados, así como a
Desarrollara las ecuaciones que rigen el comportamiento del flujo uniforme
a superficie libre y las aplicará en la solución de problemas.
Y sabrá de la importancia del papel que juegan las bombas, por tal motivo
entenderá su funcionamiento para poder dar solución a problemas que se
presenten.
Hidráulica
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RELACIÓN DE MATERIAS
CALCULO
DIFERENCIAL
ALGEBRA
LINEAL
CALCULO
INTEGRAL
HIDRÁULICA
TALLER DE
ELEMTOS DE
MACÁNICA DE
SOLIDOS
Diagrama 1. Relación de cursos que le permiten al alumno poseer las competencias
generales y específicas para tomar la materia de Hidráulica.
SISTEMA DE
RIEGO
SUPERFICIA
L
HIDRAULICA
SISTEMA DE
RIEGO
PRESURIZADO
Diagrama 2. Relación de cursos que podrá tomar después de concluir la materia de
Hidráulica.
Hidráulica
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El alumno deberá poseer las siguientes competencias para tomar este curso
•
Asociar un comportamiento de variables con una representación gráfica y
una representación analítica; obtener a partir de uno, cualquiera de los tres,
los otros dos (Concepto de función).
•
Identificar en una gráfica, intervalos de crecimiento y decrecimiento, así
como de velocidades de variación. (Interpretación de gráficas y concepto de
derivada).
•
Solución de problemas prácticos utilizando diferentes unidades de medida
(sistema de unidades).
•
Identificar el producto de una fuerza por una distancia (momento).
•
Relacionar el movimiento del agua con desniveles (planimetría y altimetría)
•
Asociar la energía cinética de las partículas de agua y su flujo (calor y
temperatura).
•
Identificar esquemáticamente el total de fuerzas que intervienen en un
sistema y que al sumarlas dan cero (equilibrio)
Hidráulica
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ÍNDICE
UNIDAD I. PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS E HIDROSTÁTICA _____________ 8
DEFINICIÓN Y CLASIFICACIÓN DE FLUIDOS Y SUS PROPIEDADES ____________ 8
DENSIDAD, PESO ESPECÍFICO, VOLUMEN ESPECÍFICO, VISCOSIDAD, TENSIÓN
SUPERFICIAL Y CAPILARIDAD. ____________________________________________ 12
PRESIÓN MANOMÉTRICA, PRESIÓN ATMOSFÉRICA Y PRESIÓN ABSOLUTA. _ 15
APARATOS DE MEDICIÓN: MANÓMETRO, BARÓMETRO Y PIEZÓMETRO ____ 17
ESTUDIO Y APLICACIÓN DE LA HIDROSTÁTICA ____________________________ 19
ECUACIÓN GENERAL DE LA HIDROSTÁTICA _______________________________ 20
PRINCIPIO DE PASCAL_____________________________________________________ 22
EMPUJE SOBRE SUPERFICIES PLANAS Y CURVAS ___________________________ 23
PRINCIPIO DE ARQUÍMEDES _______________________________________________ 23
UNIDAD II. HIDRODINÁMICA _________________________________________________ 23
TIPOS DE FLUJOS__________________________________________________________ 23
CONCEPTO DE CAUDAL ___________________________________________________ 24
ECUACIÓN DE CONTINUIDAD ______________________________________________ 25
APLICACIÓN ______________________________________________________________ 27
ECUACIÓN DE ENERGÍA.___________________________________________________ 29
CARGA HIDRAULICA ______________________________________________________ 30
ECUACIÓN DE BERNOULLI ________________________________________________ 31
UNIDAD III. ORIFICIOS Y VERTEDORES _________________________________ 31
ECUACIÓN GENERAL ______________________________________________________ 33
VERTEDORES _____________________________________________________________ 35
VERTEDOR DE PARED DELGADA CON Y SIN CONTRACCIONES LATERALES Y
CRESTA AGUDA ___________________________________________________________ 36
ECUACIÓN GENERAL ______________________________________________________ 36
UNIDAD IV. CIRCULACIÓN DEL AGUA EN CANALES ______________________ 38
CLASIFICACIÓN DE LOS CANALES _________________________________________ 39
VELOCIDADES EN CANALES _______________________________________________ 43
MANNING _________________________________________________________________ 45
BAZIN _____________________________________________________________________ 45
COEFICIENTE DE RUGOSIDAD _____________________________________________ 46
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PÉRDIDA DE CARGA _______________________________________________________ 47
SALTO HIDRÁULICO ______________________________________________________ 48
UNIDAD V. TUBERIAS __________________________________________________ 49
DEFINICIÓN _______________________________________________________________ 49
CLASIFICACIÓN ___________________________________________________________ 49
NÚMERO DE REYNOLDS ___________________________________________________ 50
PERDIDA DE CARGA LOCAL _______________________________________________ 51
ECUACIÓN DE DARCY WEISBACH __________________________________________ 52
GOLPE DE ARIETE_________________________________________________________ 54
UNIDAD VI. BOMBAS __________________________________________________ 55
GENERALIDADES DE LAS BOMBAS _________________________________________ 55
CLASIFICACIÓN DE LAS BOMBAS __________________________________________ 56
Hidráulica
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COMPETENCIAS A ALCANZAR EN EL CURSO
Conocer las propiedades de los fluidos, los aparatos de medición y las leyes que
rigen el comportamiento de los líquidos en reposo.
Aplicar los principios de movimiento de fluidos en conductos cerrados y abiertos en
la solución de problemas de transporte.
Resolver problemas de flujo a través de orificios y vertedores.
Conocer las ecuaciones que rigen el comportamiento del flujo uniforme a superficie
libre y las aplicará en la solución de problemas.
Resolver problemas de flujos en conductos cerrados.
Conocer la importancia y el funcionamiento de las bombas.
Aplicar las diferentes metodologías para el aforo de pozos.
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UNIDAD I. PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS E HIDROSTÁTICA
DEFINICIÓN Y CLASIFICACIÓN DE FLUIDOS Y SUS PROPIEDADES
Definición:
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 si 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 propias.
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).
Clasificación
Existe una primera clasificación muy útil que diferencia a los fluidos en
Newtonianos y no Newtonianos. Los primeros siguen la ley de Newton, en la que la
viscosidad sólo depende de la temperatura y la presión, y por tanto el gradiente de
velocidades tiene un comportamiento completamente lineal, mientras que los segundos no
la siguen, y su comportamiento dista bastante de ser lineal.
Hidráulica
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Cabría mencionar un caso muy especial de fluidos: los fluidos no
newtonianos dependientes del tiempo. Estos poseen características muy
especiales, ya que su viscosidad no sólo depende del grado esfuerzo al que se le
solicita y de la presión y temperatura, sino que además lo hace en función del
tiempo a que está sometido a dicho esfuerzo.
Hidráulica
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O también en:
Líquidos
El líquido es un estado de agregación de la materia en forma de fluido altamente
incompresible lo que significa que su volumen es, muy aproximadamente, constante en un
rango grande de presión. Es el único estado con un volumen definido, pero no forma fija.
Un líquido está formado por pequeñas partículas vibrantes de la materia, como los átomos y
las moléculas, unidas por enlaces intermoleculares. El agua es, con mucho, el líquido más
común en la Tierra y el más abundante. Como un gas, un líquido es capaz de fluir y tomar
la forma de un recipiente. A diferencia de un gas, un líquido no se dispersa para llenar cada
espacio de un contenedor, y mantiene una densidad bastante constante. Una característica
distintiva del estado líquido es la tensión superficial , dando lugar a fenómenos
humectantes.
Gases
Se denomina gas al estado de agregación de la materia en el cual, bajo ciertas
condiciones de temperatura y presión, sus moléculas interaccionan solo débilmente entre sí,
sin formar enlaces moleculares, adoptando la forma y el volumen del recipiente que las
contiene y tendiendo a separarse, esto es, expandirse, todo lo posible por su alta energía
cinética. Los gases son fluidos altamente compresibles, que experimentan grandes cambios
de densidad con la presión y la temperatura. Las moléculas que constituyen un gas casi no
son atraídas unas por otras, por lo que se mueven en el vacío a gran velocidad y muy
separadas unas de otras, explicando así las propiedades:




Las moléculas de un gas se encuentran prácticamente libres, de modo que son capaces
de distribuirse por todo el espacio en el cual son contenidos. Las fuerzas gravitatorias y
de atracción entre las moléculas son despreciables, en comparación con la velocidad a
que se mueven sus moléculas.
Los gases ocupan completamente el volumen del recipiente que los contiene.
Los gases no tienen forma definida, adoptando la de los recipientes que las contiene.
Pueden comprimirse fácilmente, debido a que existen enormes espacios vacíos entre
unas moléculas y otras.
A temperatura y presión ambientales los gases pueden ser elementos como el
hidrógeno, el oxígeno, el nitrógeno, el cloro, el flúor y los gases nobles, compuestos como
el dióxido de carbono o el propano, o mezclas como el aire.
Hidráulica
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Los vapores y el plasma comparten propiedades con los gases y pueden formar mezclas
homogéneas, por ejemplo vapor de agua y aire, en conjunto son conocidos como cuerpos
gaseosos, estado gaseoso o fase gaseosa.
Propiedades fundamentales de los fluidos
Las propiedades de un fluido son las que definen el comportamiento y
características del mismo tanto en reposo como en movimiento. Existen propiedades
primarias y propiedades secundarias del fluido.
Propiedades primarias o termodinámicas:








Presión
Densidad
Temperatura
Energía interna
Entalpía
Entropía
Calores específicos
Viscosidad
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
Peso y volumen específico
Propiedades secundarias:
Caracterizan el comportamiento específico de los fluidos.ᵞ




Conductividad térmica
Tensión superficial
Compresión
Capilaridad
DENSIDAD, PESO ESPECÍFICO, VOLUMEN ESPECÍFICO, VISCOSIDAD,
TENSIÓN SUPERFICIAL Y CAPILARIDAD.
Densidad.
En física y química, la densidad (símbolo ρ) es una magnitud escalar referida a la
cantidad de masa en un determinado volumen de una sustancia. La densidad media es la
razón entre la masa de un cuerpo y el volumen que ocupa.
ρ=
m
V
Donde:
𝑘𝑔
ρ = Densidad ( ⁄𝑚3 , 𝑙𝑏⁄𝑖𝑛3 )
m = Masa (𝑘𝑔, 𝑙𝑏)
V = Volumen (𝑚3 , 𝑖𝑛3 )
Peso específico
Se le llama peso específico a la relación entre el peso de una sustancia y su volumen.
Su expresión de cálculo es:
𝛾=
𝑃 𝑚𝑔
=
= 𝜌∙𝑔
𝑉
𝑉
Donde:
γ = Peso específico
P = Peso de la sustancia
V = Volumen de la sustancia
Hidráulica
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Ρ = Densidad de la sustancia
m = Masa de la sustancia
g = Aceleración de la gravedad
Volumen específico
El volumen específico (υ) es el volumen ocupado por unidad de masa de un
material. Es el inverso de la densidad, por lo cual no dependen de la cantidad de materia.
Ejemplos: dos pedazos de hierro de distinto tamaño tienen diferente peso y volumen pero el
peso específico de ambos será igual. Este es independiente de la cantidad de materia que es
considerada para calcularlo. A las propiedades que no dependen de la cantidad de materia
se las llama propiedades intensivas; dentro de estas están también por ejemplo el punto de
fusión, punto de ebullición, el brillo, el color, la dureza, etc.
𝜐=
𝑉 1
=
𝑚 𝜌
Viscosidad
La viscosidad es la oposición de un fluido a las deformaciones tangenciales, es
debida a las fuerzas de cohesión moleculares. Todos los fluidos conocidos presentan algo
de viscosidad, siendo el modelo de viscosidad nula una aproximación bastante buena para
ciertas aplicaciones. Un fluido que no tiene viscosidad se llama fluido ideal.
La viscosidad sólo se manifiesta en líquidos en movimiento, se ha definido la
viscosidad como la relación existente entre el esfuerzo cortante y el gradiente de velocidad.
Esta viscosidad recibe el nombre de viscosidad absoluta o viscosidad dinámica.
Generalmente se representa por la letra griega .
Se conoce también otra viscosidad, denominada viscosidad cinemática, y se
representa por ⱱ. Para calcular la viscosidad cinemática basta con dividir la viscosidad
dinámica por la densidad del fluido
ⱱ=
ρ
Tensión superficial
En física esto se denomina como tensión superficial de un líquido a la cantidad de
energía necesaria para aumentar su superficie por unidad de área.1 Esta definición implica
que el líquido tiene una resistencia para aumentar su superficie. Este efecto permite a
algunos insectos, como el zapatero (Gerris lacustris), desplazarse por la superficie del agua
Hidráulica
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sin hundirse. La tensión superficial (una manifestación de las fuerzas intermoleculares en
los líquidos), junto a las fuerzas que se dan entre los líquidos y las superficies sólidas que
entran en contacto con ellos, da lugar a la capilaridad. Como efecto tiene la elevación o
depresión de la superficie de un líquido en la zona de contacto con un sólido.
Otra posible definición de tensión superficial: es la fuerza que actúa tangencial
mente por unidad de longitud en el borde de una superficie libre de un líquido en equilibrio
y que tiende a contraer dicha superficie. Las fuerzas cohesivas entre las moléculas de un
líquido, son las responsables del fenómeno conocido como tensión superficial
Capilaridad
La capilaridad es un proceso de los fluidos que depende de su tensión superficial la
cual, a su vez, depende de la cohesión del líquido y que le confiere la capacidad de subir o
bajar por un tubo capilar.
Cuando un líquido sube por un tubo capilar, es debido a que la fuerza
intermolecular o cohesión intermolecular entre sus moléculas es menor que la adhesión del
líquido con el material del tubo; es decir, es un líquido que moja. El líquido sigue subiendo
hasta que la tensión superficial es equilibrada por el peso del líquido que llena el tubo. Éste
es el caso del agua, y esta propiedad es la que regula parcialmente su ascenso dentro de
las plantas, sin gastar energía para vencer la gravedad.
Sin embargo, cuando la cohesión entre las moléculas de un líquido es más potente
que la adhesión al capilar, como el caso del mercurio, la tensión superficial hace que el
líquido descienda a un nivel inferior y su superficie es convexa.
Hidráulica
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PRESIÓN MANOMÉTRICA, PRESIÓN ATMOSFÉRICA Y PRESIÓN
ABSOLUTA.
Presión manométrica
Se llama presión manométrica a la
diferencia entre la presión absoluta o real y la
presión atmosférica. Se aplica tan solo en
aquellos casos en los que la presión es superior a
la presión atmosférica, pues cuando esta cantidad
es negativa se llama presión de vacío.
Muchos de los aparatos empleados para la
medida de presiones utilizan la presión
atmosférica como nivel de referencia y miden
la diferencia entre la presión real o absoluta y la
presión atmosférica, llamándose a este
valor presión manométrica.
Los aparatos utilizados para medir la presión manométrica reciben el nombre de
manómetros y funcionan según los mismos principios en que se fundamentan los
barómetros de mercurio y los aneroides. La presión manométrica se expresa bien sea por
encima o por debajo de la presión atmosférica. Los manómetros que sirven para medir
presiones inferiores a la atmosférica se llaman manómetros de vacío o vacuómetros.
Presión atmosférica
La presión atmosférica es la fuerza por unidad de superficie que ejerce el aire sobre
la superficie terrestre.
La presión atmosférica en un punto coincide numéricamente con el peso de una
columna estática de aire de sección recta unitaria que se extiende desde ese punto hasta el
límite superior de la atmósfera. Como la densidad del aire disminuye conforme aumenta la
altura, no se puede calcular ese peso a menos que seamos capaces de expresar la variación
de la densidad del aire ρ en función de la altitud z o de la presión p. Por ello, no resulta fácil
hacer un cálculo exacto de la presión atmosférica sobre un lugar de la superficie terrestre.
Además tanto la temperatura como la presión del aire están variando continuamente, en una
escala temporal como espacial, dificultando el cálculo. Podemos obtener una medida de la
presión atmosférica en un lugar determinado pero con ella no se pueden obtener muchas
Hidráulica
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conclusiones: es la variación de dicha presión a lo largo del tiempo lo que nos permite
obtener una información útil que, unida a otros datos meteorológicos (temperatura
atmosférica, humedad y vientos) nos da una imagen bastante acertada del tiempo
atmosférico en dicho lugar e incluso un pronóstico a corto plazo del mismo.
La presión atmosférica en un lugar determinado experimenta variaciones asociadas
con los cambios meteorológicos. Por otra parte, en un lugar determinado, la presión
atmosférica disminuye con la altitud, como se ha dicho. La presión atmosférica decrece a
razón de 1 mm Hg o Torr por cada 10 m de elevación en los niveles próximos al del mar.
En la práctica se utilizan unos instrumentos, llamados altímetros, que son
simples barómetros aneroides calibrados en alturas; estos instrumentos no son muy
precisos.
La presión atmosférica también varía según la latitud. La menor presión atmosférica
al nivel del mar se alcanza en las latitudes ecuatoriales. Ello se debe al abombamiento
ecuatorial de la Tierra: la litósfera está abultada en el ecuador terrestre, mientras que la
hidrósfera está aún más abultada por lo que las costas de la zona ecuatorial se encuentran
varios km más alejadas del centro de la Tierra que en las zonas templadas y, especialmente,
en las zonas polares. Y, debido a su menor densidad, la atmósfera está mucho más abultada
en el ecuador terrestre que la hidrósfera, por lo que su espesor es mucho mayor que el que
tiene en las zonas templadas y polares. Es por ello que la zona ecuatorial es el dominio
permanente de bajas presiones atmosféricas por razones dinámicas derivadas de la rotación
terrestre. Y es por ello que la temperatura atmosférica disminuye un grado por cada 154 m
de altitud, mientras que en la zona intertropical esta cifra alcanza unos 180 m de altitud.
La presión atmosférica normalizada, 1 atmósfera, fue definida como la presión
atmosférica media al nivel del mar que se adoptó como exactamente 101 325 Pa o
760 Torr. Sin embargo, a partir de 1982, la IUPAC recomendó que si se trata de especificar
las propiedades físicas de las sustancias "el estándar de presión" debía definirse como
exactamente 100 kPa o (≈750,062 Torr). Aparte de ser un número redondo, este cambio
tiene una ventaja práctica porque 100 kPa equivalen a una altitud aproximada de 112
metros, que está cercana al promedio de 194 m de la población mundial.
Presión absoluta
La presión absoluta es la presión 'real' en un punto dado. Un ejemplo puede ser, un
envase de refresco no sólo debe soportar la presión atmosférica (externa), también la
presión manométrica (interna), por lo que la presión real que soporta el sistema será:
Presión real = Presión atmosférica (debida al peso de la atmósfera) + Presión del gas
Hidráulica
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O para cualquier sistema:
Presión absoluta = Presión atmosférica + Presión manométrica
La presión de un sistema no sólo depende de la masa adicional (en este caso, del gas
adicionado), también puede variar en función de la temperatura. Al disminuir la
temperatura el movimiento molecular del gas disminuye y por lo tanto también disminuye
la fuerza con la que impactan las paredes del envase, y por lo tanto disminuye la presión.
¿Qué pasa si en lugar de adicionar gas (como en el ejemplo del refresco) eliminas
una cantidad del mismo (como cuando haces vacío en un recipiente, por ejemplo en el
laboratorio)? Al disminuir la masa del sistema, disminuye también el peso que ejerce la
misma y por lo tanto la presión 'real' del sistema será menor a la atmosférica. Por lo tanto es
lógico concluir que para presiones de vacío la presión real sea:
Presión real = Presión atmosférica (debida al peso de la atmósfera) - Presión que ejercía el
gas que se eliminó
O para cualquier sistema:
Presión absoluta = Presión atmosférica – Presión manométrica de vacio
APARATOS DE MEDICIÓN: MANÓMETRO, BARÓMETRO Y PIEZÓMETRO
Manómetro
El manómetro (del gr. μανός, ligero y μέτρον, medida) es un instrumento de
medición para la presión de fluidos contenidos en recipientes cerrados. Se distinguen dos
tipos de manómetros, según se empleen para medir la presión de líquidos o de gases.
El manómetro para líquido es un manómetro diseñado para medir presiones
hidráulicas donde el medio puede ser agresivo o no. Para medios agresivos como ácidos o
bases un tratamiento debe ser aplicado sobre la superficie de contacto con el líquido. Otra
alternativa es utilizar membranas de separación que actúan también de transmisor de la
presión al manómetro.
Los manómetros para líquidos suelen ser manómetros con sensor de galgas
extensiométricas ya que este tipo de sensor presenta una buena estabilidad en el tiempo y
repetitividad de la medida. No olvidemos que la precisión se cuantifica mediante la
repetitividad y de la exactitud mediante el error.
Hidráulica
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Barómetro
Un barómetro es un instrumento que mide la presión atmosférica. La presión
atmosférica es el peso por unidad de superficie ejercida por la atmósfera. Uno de los
barómetros más conocidos es el de mercurio.
Piezómetro
El tubo piezométrico o manómetro es, como su nombre indica, un tubo en el que,
estando conectado por uno de los lados a un recipiente en el cual se encuentra un fluido, el
nivel se eleva hasta una altura equivalente a la presión del fluido en el punto de conexión u
orificio piezométrico, es decir hasta el nivel de carga del mismo.
La presión (P) se puede expresar, de acuerdo con la ecuación de la hidrostática
como:
𝑃 = 𝑃0 + 𝜌 ∙ 𝑔 ∙ 𝑧 = 𝜌 ∙ 𝑔 ∙ 𝛿ℎ
Donde:
𝑃0 = 𝑃𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛 𝑎𝑐𝑡𝑢𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑠𝑜𝑏𝑟𝑒 𝑙𝑎 𝑠𝑢𝑝𝑒𝑟𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒 𝑙𝑖𝑏𝑟𝑒𝑑𝑒𝑙 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒
𝜌 = 𝐷𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜
𝑔 = 𝐴𝑐𝑒𝑙𝑒𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑔𝑟𝑎𝑣𝑒𝑑𝑎𝑑
𝑧 = 𝑃𝑟𝑜𝑓𝑢𝑛𝑑𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒𝑙 𝑝𝑢𝑛𝑡𝑜 𝑞𝑢𝑒 𝑠𝑒 𝑒𝑠𝑡𝑒 𝑚𝑖𝑑𝑖𝑒𝑛𝑑𝑜 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜
𝛿ℎ = ∆ℎ = 𝐸𝑙𝑒𝑣𝑎𝑐𝑖ó𝑛 𝑑𝑒𝑙 𝑓𝑙𝑢𝑖𝑑𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑡𝑢𝑏𝑜 𝑝𝑖𝑒𝑧𝑜𝑚é𝑡𝑟𝑖𝑐𝑜, 𝑝𝑜𝑟 𝑒𝑛𝑐𝑖𝑚𝑎 𝑑𝑒𝑙
𝑝𝑢𝑛𝑡𝑜 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑐𝑢𝑎𝑙 𝑠𝑒 𝑒𝑠𝑡𝑎 𝑚𝑖𝑑𝑖𝑒𝑛𝑑𝑜 𝑙𝑎 𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛
Hidráulica
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ESTUDIO Y APLICACIÓN DE LA HIDROSTÁTICA
Gato hidráulico
En un fluido, la presión es igual por todos
lados, por donde lo veas, luego, como sabes P=F/A
(presión = fuerza sobre área), entonces, tienes un
sistema, con un fluido. Por esta relación, si
aumentas el área, la presión disminuye, y si
aumentas la fuerza, la presión se hace grande, y
viceversa. Luego, en el sistema, tenemos como dos
émbolos, uno con un área más pequeña que el área
del otro. Le aplicas una fuerza en el embolo
pequeño, se crea una presión en el fluido, pero esa
presión es igual en el otro embolo, que tiene un área
mayor, entonces, para que la presión sea igual, la
fuerza debe de ser mayor, así, generas una fuerza mayor con una pequeña. Por tal motivo es
posible levantar hasta un automóvil con la fuerza que se aplica con el brazo.
El principio de pascal dice que si se ejerce una presión sobre un punto de una masa
líquida esta presión se reproduce exactamente igual en todos los puntos de la masa. O sea
que si ejerzo una fuerza de 1kgr sobre un embolo de 1cm2 se tendrá en cada cm2 de la
superficie de la masa 1Kgr de fuerza (y 1 Kg/cm2 de presión) y para que se cumpla el
principio si conecto al recipiente un embolo de 10 cm2 la presión que actuará será también
1Kgr/cm2 y en el embolo mayor tendré 10 kg de fuerza.
Industria alimentaria
La tecnología de altas presiones hidrostáticas (APH) se basa en la aplicación de
presiones entre 100 y 900 MPa por tiempos cortos a alimentos envasados que luego se
conservan bajo refrigeración. La aplicación comercial más frecuente de esta tecnología es
la “pasteurización fría”, que requiere presiones por encima de los 300MPa y permite
eliminar microorganismos patógenos vegetativos (como Listeria monocytogenes y
Salmonella), reducir microorganismos alteradores e inactivar ciertas enzimas, con efecto
mínimo sobre los atributos sensoriales y las propiedades nutricionales de los alimentos. A
su vez, la tecnología APH permite duplicar o triplicar la vida útil de los productos (periodo
desde la elaboración hasta el vencimiento) respecto de los sistemas convencionales y su
rasgo más distintivo es que no altera la “frescura” del producto. También, la tecnología
APH se puede aplicar para el desarrollo de nuevos productos (reducidos en sal, en grasas,
etc.) y para la optimización de procesos convencionales de la industria alimenticia (por
ejemplo, marinado y tiernizado de carnes, madurado de quesos, etc.)
Hidráulica
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ECUACIÓN GENERAL DE LA HIDROSTÁTICA
La hidrostática es la rama de la mecánica de fluidos que estudia los fluidos en
estado de equilibrio, es decir, sin que existan fuerzas que alteren su movimiento o posición.
Los principales teoremas que respaldan el estudio de la hidrostática son el principio de
Pascal y el principio de Arquímedes.
En el líquido en reposo, ver figura, se aísla un volumen infinitesimal, formado por
un prisma rectangular de base A y altura dz. Imaginemos un plano de referencia horizontal
a partir del cual se miden las alturas en el eje z.
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Hidráulica
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PRINCIPIO DE PASCAL
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EMPUJE SOBRE SUPERFICIES PLANAS Y CURVAS
PRINCIPIO DE ARQUÍMEDES
UNIDAD II. HIDRODINÁMICA
Definición
Estudia los fluidos en movimientos, es decir, el flujo de los fluidos. Este estudio se realiza
describiendo las propiedades de los fluidos (densidad, velocidad) en cada punto del espacio
en función del tiempo.
TIPOS DE FLUJOS
Flujo permanente
Se dice que un flujo es permanente cuando las propiedades de un fluido y las
condiciones del movimiento del mismo no cambian en un punto con respecto al tiempo.
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Flujo uniforme
Se considera que el flujo uniforme tiene las siguientes características principales:
1. La profundidad, el área mojada, la velocidad y el caudal en cada sección del canal
son constantes.
2. La línea de energía, la superficie del agua y el fondo del canal son paralelos, es
decir, sus pendientes son todas iguales Sf = Sw = So = S, donde Sf es la pendiente de
la línea de energía, Sw es la pendiente del agua y So es la pendiente del fondo del
canal.
Cuando el flujo ocurre en un canal abierto, el agua encuentra resistencia a medida
que fluyen aguas abajo. Esta resistencia por lo general es contrarrestada por las
componentes de las fuerzas gravitacionales que actúan sobre el cuerpo de agua en la
dirección del movimiento. Un flujo uniforme se alcanzará si la resistencia se equilibra con
las fuerzas gravitacionales. La profundidad del flujo uniforme se conoce como profundidad
normal.
Flujo turbulento
Un flujo es turbulento cuando sus partículas se mueven en trayectorias muy
irregulares que causan colisiones entre las partículas, produciéndose un importante
intercambio de cantidad de movimiento entre ellas. La turbulencia establece esfuerzos de
cizalla importantes y causa pérdidas de energía en todo el flujo.
Flujo laminar
Un flujo es laminar cuando sus partículas se mueven a lo largo de trayectorias
suaves en láminas o capas, de manera que una capa se desliza suavemente sobre otra capa
adyacente. Este tipo de flujos cumple la Ley de Viscosidad de Newton.
CONCEPTO DE CAUDAL
En dinámica de fluidos, caudal es la cantidad de fluido que pasa en una unidad de
tiempo. Normalmente se identifica con el flujo volumétrico o volumen que pasa por un área
dada en la unidad de tiempo. Menos frecuentemente, se identifica con el flujo másico o
masa que pasa por un área dada en la unidad de tiempo.
Hidráulica
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El caudal de un río puede calcularse a través de la siguiente fórmula:
𝑄 =𝐴∙𝑣
Donde:
𝑄 = 𝐶𝑎𝑢𝑑𝑎𝑙
𝐴 = Á𝑟𝑒𝑎
𝑣 = 𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑
ECUACIÓN DE CONTINUIDAD
La ecuación de continuidad no es más que un caso particular del principio de
conservación de la masa. Se basa en que el caudal (Q) del fluido ha de permanecer
constante a lo largo de toda la conducción.
Dado que el caudal es el producto de la superficie de una sección del conducto
por la velocidad con que fluye el fluido, tendremos que en dos puntos de una misma
tubería se debe cumplir que:
𝑄1 = 𝑄2 ⇒ 𝑆1 ∙ 𝑣1 = 𝑆2 ∙ 𝑣2
Que es la ecuación de continuidad y donde:


S es la superficie de las secciones transversales de los puntos 1 y 2 del conducto.
v es la velocidad del flujo en los puntos 1 y 2 de la tubería.
Se puede concluir que puesto que el caudal debe mantenerse constante a lo
largo de todo el conducto, cuando la sección disminuye, la velocidad del flujo aumenta
en la misma proporción y viceversa.
En la figura 5 puedes ver como la sección se reduce de A1 a A2. Teniendo en
cuenta la ecuación anterior:
𝑣2 = 𝑣1
𝐴1
𝐴2
Es decir la velocidad en el estrechamiento aumenta de forma proporcional a lo
que se reduce la sección.
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APLICACIÓN
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ECUACIÓN DE ENERGÍA.
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CARGA HIDRAULICA
La carga hidráulica es el volumen de agua aplicado por unidad de superficie en un
determinado período de tiempo. Para el caso del proyecto, el agua aplicar o disponer en
los suelos no debe sobrepasar la carga hidráulica estimada. A continuación se hace un
cálculo y análisis para los meses más desfavorables respecto a la distribución de los
residuos líquidos que corresponden a los meses de vendimia e invierno.
Para poder determinar la carga hidráulica es necesario realizar un balance de agua
utilizando la permeabilidad del suelo como parámetro fundamental dentro de la siguiente
ecuación.
Lw (p) = ET – P + Wp (*)
Donde:
Lw (p) = Carga hidráulica basada en la permeabilidad del terreno (mm/día).
ET = Evapotranspiración del cultivo
P
= Precipitación de la zona (mm/día).
Wp = Velocidad de percolación del suelo (mm/día).
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ECUACIÓN DE BERNOULLI
UNIDAD III. ORIFICIOS Y VERTEDORES
Denominamos orificio, en hidráulica, a una abertura de forma regular, que se
practica en la pared o el fondo del recipiente, a través del cual eroga el líquido contenido
en dicho recipiente, manteniéndose el contorno del orificio totalmente sumergido.
A la corriente líquida que sale del recipiente se la llama vena líquida o chorro.
Si el contacto de la vena líquida con la pared tiene lugar en una línea estaremos en
presencia de un orificio en pared delgada. Si el contacto es en una superficie se tratará de
un orificio en pared gruesa (más adelante se precisará con más detalle el concepto).
Hidráulica
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En la práctica, se suele considerar:
Se denomina carga a la altura de líquido que origina la salida del caudal de la
estructura. Se mide desde el nivel del líquido hasta el baricentro del orificio.
La velocidad de llegada es la velocidad con que el líquido llega al recipiente.
El movimiento permanente o estacionario ocurre cuando el escurrimiento tiene
lugar a carga constante.
La salida libre tiene lugar cuando el nivel del líquido en el canal de salida, o en el
recipiente inferior, está por debajo de la arista o borde inferior del orificio.
El orificio es sumergido cuando el nivel del líquido en el canal de salida o recipiente
inferior está por arriba de la arista o borde superior del orificio.
Asimismo la pared puede encontrarse vertical o inclinada, ya sea hacia aguas abajo
o aguas arriba, afectando obviamente dicha inclinación, la descarga producida por dicho
orificio.
Se mencionan todas estas condiciones pues no es muy difícil intuir que las mismas
tienen influencia en el caudal que será capaz de erogar dicho orificio.
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ECUACIÓN GENERAL
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Un análisis intuitivo de las líneas de corriente, como puede apreciarse en las figuras,
permite interpretar la formación de la “sección contraída Ωc” a una cierta distancia de la
pared del orificio, que es sobre la cual aplicamos Bernoulli.
De esta forma, aplicando la Ecuación de Continuidad y teniendo en cuenta un
coeficiente experimental µ “de descarga del orificio”, el cual consiste en una función
compleja menor a la unidad (disminuye, en consecuencia, el valor teórico dado por la
expresión) en la que influyen la viscosidad, la formación de la sección contraída, la
variación real de la velocidad en la misma (consideramos el valor medio en la deducción),
la forma de la sección, etc.; se obtiene la expresión:
En la que Ω es la sección real del orificio cuyas dimensiones, a diferencia de la
sección contraída, son de obtención inmediata.
Cuando el orificio es en pared delgada, no cometemos error apreciable si se adopta:
Las dos expresiones previas son aplicables al “Orificio Perfecto”, el que se define
como tal cuando se cumplen las siguientes condiciones:
a) Pared delgada, vertical y perpendicular al escurrimiento.
b) Velocidad de llegada despreciable (menor a 0,30 m/s)
c) Contracción de la vena completa, lo que implica suficiente distancia desde el fondo y los
laterales (orificio cerca de los límites minimizan la contracción).
d) Idéntica presión (atmosférica generalmente, salvo casos muy particulares) aguas arriba
del orificio y alrededor de la vena fluida en caída.
e) Caída libre, no influenciada por los niveles aguas abajo.
Cuando el orificio no cumple con algunas de las propiedades enunciadas debe ser
corregido el coeficiente de gasto, el que se obtiene de los manuales especializados y que se
simboliza como Ci, donde i es el número asignado a cada corrección, con lo que la
expresión general queda entonces:
Es oportuno señalar que en el caso del orificio sumergido, el coeficiente de gasto
estará obviamente relacionado con la diferencia de niveles aguas arriba y aguas abajo.
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En particular, en el orificio de pared gruesa, la vena líquida reanuda su contacto con
la pared y consecuentemente el efecto de “succión” o “Venturi” producido por la zona de
menor presión (sombreada en la Figura 1) mayora el coeficiente de gasto. En ese caso el
producto del coeficiente por el Ci correspondiente es aproximadamente 0,81; por lo que la
expresión queda:
Es decir que el orificio en pared gruesa eroga más caudal que en pared delgada, por
lo que cuando la función del mismo es erogar caudales importantes, ésta constituye la
solución obligada.
VERTEDORES
Definición
Otra estructura utilizada en los proyectos hidráulicos (más frecuentemente que los
orificios) está constituida por los vertederos en sus distintas variantes, de los cuales existen,
según la aplicación, diferentes diseños.
Ya sea como estructura de control de aprovechamientos hidráulicos o bien como
estructura para medición de caudales en obras de saneamiento, su aplicación es muy
difundida y una de las razones es porque permiten tener un adecuado control del caudal por
encima de su cresta siendo necesario únicamente medir una variable que es el tirante sobre
dicha cresta.
Según la forma geométrica del contorno de apertura, pueden distinguirse vertederos
rectangulares, trapeciales, triangulares, parabólicos, etc.
Además, según el espesor de la pared del vertedero o, más precisamente, la forma
en que la vena líquida toca la parte superior de la estructura, se clasifican en Vertederos de
Pared Gruesa o Delgada.
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VERTEDOR DE PARED DELGADA CON Y SIN CONTRACCIONES
LATERALES Y CRESTA AGUDA
Los vertederos, resultan según la relación del espesor con respecto a la carga sobre
la cresta:
Se denomina cresta, umbral o coronamiento del vertedero a la arista o superficie
inferior de la escotadura.
Se denomina longitud del vertedero rectangular a la distancia “b” entre las paredes
verticales o inclinadas (flancos) que lo limitan sobre el umbral.
La altura o espesor de la masa líquida existente sobre el nivel del umbral aguas
arriba de éste se denomina carga. Ésta se mide en la zona en la que la superficie libre del
líquido puede considerarse horizontal.
Como en el caso de los orificios, es necesario distinguir en el escurrimiento sobre
vertederos, descarga libre y sumergida, según que el nivel de salida está por debajo o por
encima del nivel del umbral.
ECUACIÓN GENERAL
Análogamente a lo que ocurre con la vena líquida que pasa por un orificio (en
realidad constituye un caso particular del mismo) la lámina vertiente sufre contracciones
inmediatamente aguas debajo de las aristas vivas de la escotadura. Estas contracciones
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serán de fondo o laterales, según estén producidas por el umbral o aristas laterales del
vertedero.
Cuando el Vertedero no cumple con algunas de las propiedades enunciadas, al igual
que en el caso de los Orificios, debe ser corregido el coeficiente de gasto, el que se obtiene
de los manuales especializados y que se simboliza como Ci, en el que i es el número
asignado a cada corrección. La expresión general queda entonces:
El cálculo del coeficiente combinado depende consecuentemente del tipo de
vertedero y de que tanto se aparte de la condición de “Vertedero Perfecto” (velocidad de
llegada, inclinación de las paredes, etc.). Éste puede variar entre 0,35 y 0,60 y para mayor
precisión se debe recurrir, al igual que en el caso de los orificios, a los manuales
especializados, en los que se encuentran innumerables expresiones de las correcciones a la
condición de “Vertedero Perfecto”, como así también soluciones para los distintos tipos de
vertederos y formas de funcionamiento.
Como primera aproximación, podemos suponer, para la sección de umbral b y carga
h:
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Para el caso del vertedero triangular, se tiene:
Se puede apreciar en la expresión anterior que, al estar elevada la carga h a la 5/2,
resulta muy sensible al caudal, es decir que ligeras modificaciones de h implican
relativamente importantes variaciones del mismo. Esta propiedad los hace de gran utilidad
para la medición de caudales con importante exactitud y además, dispuestos en batería,
posibilitan descargas muy homogéneas y con un importante poder regulador, que los hace
de gran utilidad en las plantas de tratamiento (salida de sedimentadores como ejemplo).
UNIDAD IV. CIRCULACIÓN DEL AGUA EN CANALES
Definición y partes de un canal
Básicamente un canal no es más que un cauce artificial de agua, siendo su forma
muy variada. La forma perfecta de un canal seria aquella que ofrece la menor resistencia al
avance de las aguas y que la naturaleza ha demostrado que resulta ser la semicircular, pero
dada la dificultad de ejecución de la misma (no existen máquinas con cuchillas curvas), se
opta por secciones trapeciales, que resulten inscriptas dentro de una circunferencia.
También tenemos canales triangulares, cuya característica particular es que mantienen
constante la velocidad del fluido.
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CLASIFICACIÓN DE LOS CANALES
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Sección trapezoidal
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Sección rectangular
Sección triangular
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Sección circular
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Sección trapezoidal optimas
Sección rectangular de mínima resistencia
Sección triangular de mínima resistencia
VELOCIDADES EN CANALES
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MANNING
BAZIN
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COEFICIENTE DE RUGOSIDAD
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PÉRDIDA DE CARGA
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SALTO HIDRÁULICO
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UNIDAD V. TUBERIAS
DEFINICIÓN
Una tubería o cañería es un conducto que cumple la función de transportar agua u
otros fluidos. Se suele elaborar con materiales muy diversos. Cuando el líquido
transportado es petróleo, se utiliza el término oleoducto. Cuando el fluido transportado
es gas, se utiliza el término gasoducto. También es posible transportar mediante tuberías
materiales que, si bien no son un fluido, se adecuan a este sistema: hormigón,
cemento, cereales, documentos encapsulados, etcétera.
CLASIFICACIÓN
Tubos de acero estirado
Hay tres métodos de fabricación de tuberías de acero:


Sin costura (sin soldadura). La tubería es un lingote cilíndrico que se calienta en un
horno antes de la extrusión. En la extrusión se hace pasar por un dado cilíndrico y
posteriormente se hace el agujero mediante un penetrador. La tubería sin costura es la
mejor para la contención de la presión gracias a su homogeneidad en todas sus
direcciones. Además, es la forma más común de fabricación y por tanto la más
comercial.
Con costura longitudinal. Se parte de una lámina de chapa, la cual se dobla para darle
forma a la tubería. La soldadura que une los extremos de la chapa doblada cierra el
cilindro. Por tanto, es una soldadura recta que sigue toda una generatriz. Variando la
separación entre los rodillos se obtienen diferentes curvas y con ello diferentes
diámetros de tubería. Esta soldadura será la parte más débil de la tubería y marcará la
tensión máxima admisible.
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
Con soldadura helicoidal (o en espiral). La metodología es la misma que el punto
anterior, con la salvedad de que la soldadura no es recta sino que recorre la tubería
siguiendo la tubería como si fuese roscada.
Tubos de acero galvanizado
La tubería de acero galvanizado es una tubería de acero estirado, como en el caso
anterior, pero a la que se ha sometido a un proceso de galvanizado interior y exteriormente.
El galvanizado se aplica después de formado el tubo. Al igual que la de acero al carbón, se
dobla la placa a los diámetros que se requiera y existen con costura y sin costura y se utiliza
para transportar agua potable, gases, aceites o vapores a alta y baja presión.
Tubos o conductos de chapa galvanizada
Son conductos utilizados para aire (instalaciones de climatización) que se pueden
hacer de dos modos:


De sección circular: suelen construirse de chapa arrollada helicoidalmente y
engatillada.
De sección rectangular: se construyen de cualquier dimensión mediante la suma de
chapas planas embutidas someramente, generalmente en punta de diamante, para darle
mayor rigidez.
Tubos de hierro fundido
Una tubería de hierro fundido se fabrica mediante una colada en un molde o
mediante inyección del hierro fundido en un proceso llamado fundición, en el cual la
tubería sale sin costura. La ventaja de este sistema es que las tuberías tienen gran
durabilidad y resistencia al uso. Por contra son más frágiles ante los golpes.
NÚMERO DE REYNOLDS
Hidráulica
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PERDIDA DE CARGA LOCAL
Fundamento teórico
Además de las pérdidas de energía por fricción, hay otras pérdidas "menores"
asociadas con los problemas en tuberías. Se considera que tales pérdidas ocurren
localmente en el disturbio del flujo. Estas ocurren debido a cualquier disturbio del flujo
provocado por curvaturas o cambios en la sección. Son llamadas pérdidas menores porque
pueden despreciarse con frecuencia, particularmente en tuberías largas donde las pérdidas
debidas a la fricción son altas en comparación con las pérdidas locales. Sin embargo en
tuberías cortas y con un considerable número de accesorios, el efecto de las pérdidas
locales será grande y deberán tenerse en cuenta.
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Las pérdidas menores son provocadas generalmente por cambios en la velocidad,
sea magnitud o dirección. Experimentalmente se ha demostrado que la magnitud de las
pérdidas es aproximadamente proporcional al cuadrado de la velocidad. Es común expresar
las pérdidas menores como función de la cabeza de velocidad en el tubo, V2/2g:
Con hL la pérdida menor y K el coeficiente de pérdida. Valores de K para todo tipo
de accesorio, son encontrados en los textos de fluidos e hidráulica.
ECUACIÓN DE DARCY WEISBACH
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Hidráulica
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GOLPE DE ARIETE
El golpe de ariete o pulso de Zhukowski, llamado así por el ingeniero ruso Nikolái
Zhukovski es,junto a la cavitación, el principal causante de averías en tuberías e
instalaciones hidráulicas.
El golpe de ariete se origina debido a que el fluido es ligeramente elástico (aunque
en diversas situaciones se puede considerar como un fluido no compresible). En
consecuencia, cuando se cierra bruscamente una válvula o un grifo instalado en el extremo
de una tubería de cierta longitud, las partículas de fluido que se han detenido son empujadas
por las que vienen inmediatamente detrás y que siguen aún en movimiento. Esto origina
una sobrepresión que se desplaza por la tubería a una velocidad que puede superar
la velocidad del sonido en el fluido. Esta sobrepresión tiene dos efectos: comprime
ligeramente el fluido, reduciendo su volumen, y dilata ligeramente la tubería. Cuando todo
el fluido que circulaba en la tubería se ha detenido, cesa el impulso que la comprimía y, por
tanto, ésta tiende a expandirse. Por otro lado, la tubería que se había ensanchado
ligeramente tiende a retomar su dimensión normal. Conjuntamente, estos efectos provocan
otra onda de presión en el sentido contrario. El fluido se desplaza en dirección contraria
pero, al estar la válvula cerrada, se produce una depresión con respecto a la presión normal
de la tubería. Al reducirse la presión, el fluido puede pasar a estado gaseoso formando una
burbuja mientras que la tubería se contrae. Al alcanzar el otro extremo de la tubería, si
la onda no se ve disipada, por ejemplo, en un depósito a presión atmosférica, se reflejará
siendo mitigada progresivamente por la propia resistencia a la compresión del fluido y la
dilatación de la tubería.
Siempre que el tiempo de cierre de la válvula sea inferior al tiempo de prolongación
de ondas de choque (desde la válvula hasta la embocadura de la tubería y vuelta de nuevo
hasta la válvula) se manifestará este fenómeno.
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Velocidad de propagación de la onda de presión
Para tuberías deformables como es nuestro caso (tubo de acero) la expresión
matemática que proponemos es la siguiente:
Donde:
c = velocidad de la onda de presión (m/s)
EB = módulo de elasticidad volumétrico del fluido (Pa)
E = módulo elástico (módulo de Young) del material de la tubería (Pa)
ρ = densidad del fluido (kg/m3)
d = diámetro exterior de la tubería (mm)
e = espesor de la pared de la tubería (mm)
Densidad y Módulo Elástico Volumétrico del Agua a la Presión Atmosférica
UNIDAD VI. BOMBAS
GENERALIDADES DE LAS BOMBAS
Las Bombas son Generadores Hidráulicos. Absorben energía mecánica en el eje y
proporcionan energía hidráulica a un líquido que bombean por una tubería (con accesorios)
Su aplicación es muy diversa, para la impulsión de toda clase de líquidos.
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En general actúan en dos fases:
• Aspiración: elevando el líquido desde su nivel hasta la bomba, por medio de la
tubería de aspiración. La bomba ejerce un vacío con el fin de que el líquido pueda subir por
la tubería de aspiración impulsada por la presión atmosférica.
• Impulsión: conducción del líquido desde la bomba hasta su destino, por medio de
la tubería de impulsión. En esta fase la bomba ejerce la presión necesaria para que el
líquido se traslade a lo largo de la tubería.
CLASIFICACIÓN DE LAS BOMBAS
Bomba de engranaje
Una bomba de engranajes es un tipo de bomba hidráulica que consta de dos
engranajes encerrados en un alojamiento muy ceñido.1 Transforma la energía cinética en
forma de par motor, generada por un motor, en energía hidráulica a través del caudal
de aceite generado por la bomba.
Este caudal de aceite a presión se utiliza para generar, normalmente, el movimiento del
actuador instalado en la máquina/aplicación.
El elemento principal de la bomba es el par de engranajes acoplados. El par de
engranajes está formado por el eje conductor/motor (el que es accionado por el eje del
motor) y el eje conducido. El eje conductor hace girar al eje conducido bajo el principio del
desplazamiento provocado por el contacto entre los dientes de los engranajes de los ejes.de
dos y mas y mas personas fictis del lugar.
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Bomba de tornillo
Una bomba de tornillo es un tipo de bomba hidráulica considerada de
desplazamiento positivo, que se diferencia de las habituales, más conocidas comobombas
centrífugas. Esta bomba utiliza un tornillo helicoidal excéntrico que se mueve dentro de una
camisa y hace fluir el líquido entre el tornillo y la camisa.
Está específicamente indicada para bombear fluidos viscosos, con altos contenidos
de sólidos, que no necesiten removerse o que formen espumas si se agitan. Como la bomba
de tornillo desplaza el líquido, este no sufre movimientos bruscos, pudiendo incluso
bombear uvas enteras.
Bomba centrífuga
Las Bombas centrífugas también llamadas Rotodinámicas, son siempre rotativas y
son un tipo de bomba hidráulica que transforma la energía mecánica de un impulsor.
El fluido entra por el centro del rodete, que dispone de unos álabes para conducir el fluido,
y por efecto de la fuerza centrífuga es impulsado hacia el exterior, donde es recogido por la
carcasa o cuerpo de la bomba, que por el contorno su forma lo conduce hacia las tuberías de
salida o hacia el siguiente rodete se basa en la ecuación de Euler y su elemento transmisor
de
energía
se
denomina
impulsor
rotatorio
llamado rodete en
energía
cinética y potencial requeridas y es este elemento el que comunica energía al fluido en
forma de energía cinética.
Las Bombas Centrífugas se pueden clasificar de diferentes maneras:
• Por la dirección del flujo en: Radial, Axial y Mixto.
• Por la posición del eje de rotación o flecha en: Horizontales, Verticales e Inclinados.
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• Por el diseño de la coraza (forma) en: Voluta y las de Turbina.
• Por el diseño de la mecánico coraza en: Axialmente Bipartidas y las Radialmente
Bipartidas.
• Por la forma de succión en: Sencilla y Doble.
Aunque la fuerza centrífuga producida depende tanto de la velocidad en la periferia
del impulsor como de la densidad del líquido, la energía que se aplica por unidad
de masa del líquido es independiente de la densidad del líquido. Por tanto, en una bomba
dada que funcione a cierta velocidad y que maneje un volumen definido de líquido, la
energía que se aplica y transfiere al líquido, (en pascales, Pa, metros de columna de agua
m.c.a. o o pie-lb/lb de líquido) es la misma para cualquier líquido sin que importe su
densidad. Tradicionalmente la presión proporcionada por la bomba en metros de columna
de agua o pie-lb/lb se expresa en metros o en pies y por ello que se denomina
genéricamente como "altura", y aun más, porque las primeras bombas se dedicaban a subir
agua de los pozos desde una cierta profundidad (o altura).
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Bomba de Ariete
Una bomba de ariete es una bomba hidráulica cíclica que utiliza la energía
cinética de un golpe de ariete en un fluido para subir una parte de ese fluido a un nivel
superior. No necesita por lo tanto aporte de otra energía exterior. Esto y su sencillez la
hacen adecuada para lugares remotos donde no hay acceso a energía eléctrica o motores de
otro tipo.
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BIBLIOGRAFIA
E. Costa Novella: "Ingeniería Química", Vol 3: "Flujo de Fluidos".
Ed Alhambra Universidad, 1ª ed,1985.
L. López Andrés. “Manual de Hidraulica”.
Publicaciones Universidad de Alicante, 1997.
Giles Ronald V., Mecánica de los fluidos e hidráulica, Serie Schaum, Ed. Mc Graw
Hill.
Franzini, Joseph B., Finnemore, E. John. Mecánica de Fluidos con Aplicaciones
de Ingeniería. Editorial Mc Graw Hill. 1999.
Saldarriaga, V., G., Juan. Hidráulica de Tuberías. Editorial Mc Graw Hill. 1998. 1ª
edición.
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