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UNIVERSIDAD VERACRUZANA
FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL
REGIÓN XALAPA
“DESARROLLO DE PROTOTIPO DEL FUNCIONAMIENTO DE
ESCLUSAS PARA EL TRANSPORTE MARITIMO EN GRANDES
ALTURAS”
TESIS
QUE PARA OBTENER EL TITULO DE
INGENIERO CIVIL
PRESENTA
Daniel Eneas Maggi Campos
DIRECTOR
Mto. Rabindranarth Romero López
Xalapa Enriques Veracruz
2008
DESARROLLO DE PROTOTIPO DEL FUNCIONAMIENTO DE ESCLUSAS PARA EL
TRANSPORTE MARITIMO EN GRANDES ALTURAS
INGENIERIA CIVIL
AGRADECIMIENTOS Y DEDICATORIAS
No es fácil mencionar a todas aquellas personas las cuales fueron importantes en
este proceso, debido a que son tantas que simplemente me aburriría de escribir
jajaja, no es cierto, solo que sería muy cansado para todos el estar leyendo toda
esa lista casi interminable de la gente que en este momento considero importante.
Así que solo mencionaré a aquellas personas que estuvieron más cerca de este
proceso.
Primeramente quiero agradecer a Dios, porque es quien me ha dado vida y salud,
para poder terminar mi carrera y este proyecto, que en lo personal ha sido todo un
reto.
Como siempre me es importante dar gracias a mi familia que siempre ha estado a
mi lado apoyándome y viendo por mis necesidades, quiero agradecer a mi papá
Daniel Maggi Chena porque me ha dado el apoyo y la confianza con la cual he
podido llegar a esta etapa de mi formación como estudiante, también quiero dar
gracias a mis hermanos que me han servido de impulso, y de forma especial
quiero dar gracias a mi abue Verula Chena del Angel quien me formo como
persona y quien siempre me ha apoyado en todo lo que ha podido, es necesario
agradecer a mis tíos los cuales siempre estuvieron pendientes de lo que mi
persona hiciera o pensara. También quiero dar gracias a todos mis amigos y
compañeros de escuela quienes me han apoyado y ayudado en mi formación
como ingeniero, y de los cuales me llevare muy valiosos recuerdos, pero de
manera muy especial quiero agradecer a mi mejor amiga y compañera Ninfa
Isaura Cuervo Ramos, quien siempre me apoyo y aliento en este proceso.
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DESARROLLO DE PROTOTIPO DEL FUNCIONAMIENTO DE ESCLUSAS PARA EL
TRANSPORTE MARITIMO EN GRANDES ALTURAS
INGENIERIA CIVIL
De manera muy particular a mi tutor y mi amigo el Mto. Rabindranarth Romero
López, quien me dirigió y apoyo en este trabajo de investigación, haciendo con ello
que la elaboración de éste fuera más amena.
Para mi abue Verula Chena del Angel: gracias por darme siempre el ejemplo
de persona responsable y sencilla. Por apoyarme siempre que lo requerí e
inculcar en mí valores que me hacen crecer como persona.
Para mi papá Daniel Maggi Chena: gracias por darme siempre un buen
ejemplo con tu carácter fuerte y rector. También por saber inculcar en mí los
valores que tienes y darme consejos acertados cuando los necesite, espero
siempre tomarlos en cuenta.
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DESARROLLO DE PROTOTIPO DEL FUNCIONAMIENTO DE ESCLUSAS PARA EL
TRANSPORTE MARITIMO EN GRANDES ALTURAS
INGENIERIA CIVIL
INTRODUCCIÓN............................................................................................................................................ 6
1.
CAPÍTULO I: IMPORTANCIA DE LAS COMPUERTAS............................................................... 8
1.1.
INTRODUCCIÓN ................................................................................................................................ 8
1.2.
ORIGEN DE LAS COMPUERTAS .......................................................................................................... 9
1.2.1. Compuerta tipo Anillo .............................................................................................................. 13
1.2.2. Compuerta tipo Basculante ...................................................................................................... 14
1.2.3. Compuerta tipo Cilindro .......................................................................................................... 14
1.2.4. Compuerta tipo Lagarto ........................................................................................................... 15
1.2.5. Compuerta tipo Rodante........................................................................................................... 16
1.2.6. Compuerta tipo Sector.............................................................................................................. 18
1.2.7. Compuerta tipo Segmento......................................................................................................... 18
1.2.8. Compuerta tipo Stoney. ............................................................................................................ 19
1.2.9. Compuerta tipo Tejado............................................................................................................. 20
1.2.10. Compuerta tipo Vagón ............................................................................................................. 21
1.2.11. Compuerta tipo Vicera ............................................................................................................. 22
1.2.12. Compuerta tipo Stop Log ......................................................................................................... 23
1.2.13. Compuerta tipo Esclusa ........................................................................................................... 24
1.3.
DISEÑO........................................................................................................................................... 26
1.4.
EMPUJE HIDROSTÁTICO SOBRE SUPERFICIES CURVAS ..................................................................... 30
1.5.
PRINCIPIO DE ARQUÍMEDES............................................................................................................ 34
1.6.
PROBLEMAS QUE RESUELVEN LAS ESCLUSAS. ................................................................................ 35
1.7.
JUSTIFICACIÓN ............................................................................................................................... 36
2.
CAPÍTULO II: HISTORIA DE LAS ESCLUSAS ............................................................................ 38
2.1.
MARCO TEÓRICO. .......................................................................................................................... 38
2.1.1. Canal de Panamá. .................................................................................................................... 39
2.1.2. Canal de Rideau ....................................................................................................................... 42
2.1.3. Esclusa de Berendrecht ............................................................................................................ 45
2.1.4. Esclusas del río Yangtze ........................................................................................................... 48
2.1.5. Canal de los dos Mares ............................................................................................................ 50
2.1.6. Canal de Göta........................................................................................................................... 52
2.1.7. Esclusas de Afsluitdijk .............................................................................................................. 54
2.1.8. Esclusas de Kembs.................................................................................................................... 57
2.1.9. El Canal Saint Martin............................................................................................................... 59
2.2.
USO DEL PROTOTIPO Y LA INGENIERÍA ........................................................................................... 61
2.3.
IMPORTANCIA ................................................................................................................................ 62
3.
CAPÍTULO III: PROCESO CONSTRUCTIVO............................................................................... 63
3.1.
INTRODUCCIÓN .............................................................................................................................. 63
3.2.
PROCESO CONSTRUCTIVO DEL PROTOTIPO .................................................................................... 63
3.2.1. Toma de Decisiones.................................................................................................................. 63
3.2.2. Construcción del Mecanismo de Apertura y Cerrado de las Compuertas ............................... 65
3.2.3. Elección del Material para la Construcción del Canal............................................................ 67
3.2.4. Diseño del Canal ...................................................................................................................... 67
3.2.5. Corrección de Diámetro ........................................................................................................... 69
3.2.6. Construcción de la Base del Prototipo ..................................................................................... 70
3.2.7. Recipientes para Contener el Agua del Canal.......................................................................... 70
3.2.8. Elementos que Integran el Mecanismo de Llenado y Vaciado del Canal................................. 71
3.2.9. Elaboración de las Compuertas ............................................................................................... 74
3.2.10. Solución de Fugas en el Canal................................................................................................. 75
3.2.11. Prototipo Terminado ................................................................................................................ 77
3.3.
PLANOS .......................................................................................................................................... 78
3.3.1. Vista en Planta del Prototipo ................................................................................................... 78
3.3.2. Corte en Y del Prototipo ........................................................................................................... 79
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DESARROLLO DE PROTOTIPO DEL FUNCIONAMIENTO DE ESCLUSAS PARA EL
TRANSPORTE MARITIMO EN GRANDES ALTURAS
3.3.3.
3.3.4.
4.
INGENIERIA CIVIL
Corte en X del Prototipo........................................................................................................... 79
Vista en Isométrico del Prototipo ............................................................................................. 80
CAPÍTULO IV: PRÁCTICAS ............................................................................................................ 81
4.1.
4.2.
4.3.
4.4.
4.5.
PRÁCTICA 1: CALCULO DE EMPUJE ................................................................................................ 82
PRÁCTICA 2: FUNCIONAMIENTO DE LAS COMPUERTAS .................................................................. 85
PRÁCTICA 3: PASO DE UN BARCO POR ESCLUSAS PARA DESCENDER DE NIVEL ............................. 87
PRÁCTICA 4: PASO DE UN BARCO POR ESCLUSAS PARA SUBIR DE NIVEL ....................................... 89
PRÁCTICA 5: PRINCIPIO DE FLOTACIÓN EN BARCOS....................................................................... 91
CONCLUSIONES .......................................................................................................................................... 94
RECOMENDACIONES ................................................................................................................................ 98
GLOSARIO DE TÉRMINOS ....................................................................................................................... 99
GLOSARIO DE SIGLAS ............................................................................................................................ 102
BIBLIOGRAFÍA .......................................................................................................................................... 103
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DESARROLLO DE PROTOTIPO DEL FUNCIONAMIENTO DE ESCLUSAS PARA EL
TRANSPORTE MARITIMO EN GRANDES ALTURAS
INGENIERIA CIVIL
Introducción
El gran avance en la ingeniería en los últimos años a llevado cada vez más a la
industria marítima a poder irse adentrando en lugares donde antes no era posible,
en un principio cuando a penas el transporte marítimo se estaba expandiendo se
veía casi imposible que alguna embarcación de tamaño considerable se adentrará
en tierra, sin embargo con el paso de los años y el avance de la tecnología y la
ingeniería, hoy en día es posible ver embarcaciones en los ríos y canales que
están dentro de los continentes, haciendo con esto que el comercio entre los
países prospere cada vez más.
Hoy en día los avances ingenieriles nos permiten crear obras de tal magnitud que
dejan gran impacto en quienes las ven por primera vez, es por esto que se tratará
de hacer ver a los estudiantes cuales son algunas de estas obras.
A las obras a las cuales nos enfocaremos en este documento son los canales a
base de esclusas, debido a que este tipo de obras ha causado gran impacto en
este continente, haciendo con ello que varios países tengan un gran crecimiento
económico, al mismo tiempo que ha debilitado a otros.
El objetivo de este trabajo de investigación no es ver el impacto económico de
dichas obras en la sociedad, si no más bien es enseñar al alumno como es que
funcionan este tipo de obras y cuales son los fines para los que se utilizan,
también mostrándoles cuales son las partes más importantes que las integran y
tratando de desarrollar en ellos el interés por este tipo de obras.
En el primer capítulo de este trabajo se hablará acerca de la importancia de las
compuertas, en este tipo de obras, también me enfocare a tratar de explicar
algunos de los diferentes tipos de compuertas que existen así como también se
aclarará cual es el tipo de compuerta que se usa en los canales encargados de
elevar a las embarcaciones, se definirán las partes de todos los diferentes tipos de
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DESARROLLO DE PROTOTIPO DEL FUNCIONAMIENTO DE ESCLUSAS PARA EL
TRANSPORTE MARITIMO EN GRANDES ALTURAS
INGENIERIA CIVIL
compuertas y se definirá la importancia de la compuerta tipo esclusa en estos
canales.
En el segundo capítulo se abarcará un poco de la historia de las esclusas y
algunas de las esclusas más importantes del mundo, también se describirá la
importancia de estas esclusas en el lugar donde fueron construídas y los
problemas que ayudaron a solucionar cuando fueron construídas así como
también algunas de las funciones que tienen en la actualidad estas obras.
El tercer capítulo se enfocará al proceso constructivo del prototipo, en él se
describe paso a paso cada una de las fases de construcción y se menciona como
es que se fueron eligiendo los materiales, a demás también se referirán los
problemas que se tuvieron en la fase de construcción y cómo es que se fueron
solucionando cada uno de estos problemas que surgían.
El cuarto capítulo es el manual de prácticas el cual está enfocado en el prototipo
ya que cada una de las prácticas que constituyen este manual se basan en el
funcionamiento de este prototipo, dicho manual ayudará a los alumnos a entender
más fácil el funcionamiento de los canales a base de esclusas y ayudará a reforzar
lo que los alumnos aprendan en clases.
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DESARROLLO DE PROTOTIPO DEL FUNCIONAMIENTO DE ESCLUSAS PARA EL
TRANSPORTE MARITIMO EN GRANDES ALTURAS
INGENIERIA CIVIL
1. Capítulo I: Importancia de las Compuertas
1.1. Introducción
Este capítulo se enfocará, a la importancia de las compuertas en la vida diaria y en
la ingeniería. A lo largo de la historia las compuertas han tomado un papel muy
significativo en la vida del hombre, debido a que el agua siempre ha sido uno de
los principales elementos para el hombre y éste ha tenido que aprender a controlar
el flujo o a desviarlo, es por ello que las compuertas son importantes, debido a que
por medio de obras ingenieriles como presas o embalses, se ha podido retener el
agua y además darle una dirección nueva, a través de canales los cuales llevan el
agua a las poblaciones o zonas de riego y es ahí donde entra la importancia de las
esclusas, que son las encargadas de regular el paso del agua a la hora de abrir o
cerrar el canal. Pero con el paso del tiempo se han ido creando nuevas obras
hidráulicas, de impresionantes magnitudes, las cuales han requerido el uso de
compuertas y con esto han empezado a surgir los diferentes tipos de compuertas,
cada una de ellas con características muy diferentes de acuerdo a la necesidad
que estas deban cubrir.
Uno de los problemas a los cuales se enfrentan las compuertas es el de ayudar a
las embarcaciones a vencer grades desniveles, por lo cual surgieron las
compuertas esclusas, este tipo de compuertas se encargan de elevar barcos a
base de subir el nivel de agua que hay en dicho canal, hasta que el agua de la otra
parte del canal esté al mismo nivel, para que así el barco pueda pasar y se venza
con ello la altura. Este tipo de compuertas las podemos encontrar en varias partes
del mundo y han sido de gran ayuda para las grandes embarcaciones encargadas
de transportar cargas muy importantes, las cuales tienen que llegar a lugares que
la mayor parte de las veces se encuentran a grandes alturas.
En la actualidad la mayoría de la gente no le da la importancia adecuada a las
compuertas, debido a que no tienen conocimiento de los problemas que las
compuertas ayudan a solucionar, ésto se debe a que aún cuando las compuertas
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DESARROLLO DE PROTOTIPO DEL FUNCIONAMIENTO DE ESCLUSAS PARA EL
TRANSPORTE MARITIMO EN GRANDES ALTURAS
INGENIERIA CIVIL
son parte importante en una obra hidráulica, no existen los suficientes libros o
artículos los cuales detallen todo lo referente a ellas, desde el material del que
pueden estar hechas hasta como se diseñan; es por ello que esta investigación es
de importancia.
La importancia de las compuertas recae en el hecho del manejo del agua, ya que
ellas se encargan de dejar pasar o no el agua, y con ésto contribuyen a que el
manejo del agua sea de una manera apropiada, aumentando con esto la eficiencia
de un canal, no importando el fin que este tenga.
Para la mayoría de los estudiantes de Ingeniería las compuertas son nada más
otro elemento más en una obra hidráulica, pero si no fijamos bien y situamos
nuestra atención en el papel que éstas juegan, veremos que no son otra simple
parte de una presa o un canal, debido a que ellas son las que tienen una de las
funciones más importantes si no es que la más importante, con el solo hecho de
administrar el fluido ya sea agua u otro. Por las razones anteriores la construcción
del prototipo es muy importante.
1.2. Origen de las compuertas
Las compuertas surgen como respuesta al manejo del agua, no se sabe
precisamente en donde surgieron, pero con seguridad se puede afirmar que las
compuertas han sido ocupadas desde tiempos muy antiguos, incluso desde antes
de Cristo. Las primeras civilizaciones que se volvieron sedentarias tuvieron que
haber desarrollado algún tipo de compuertas, las cuales ayudarían a regular el
flujo de agua hacia sus campos de cultivos.
Se sabe que los egipcios fueron uno de los grandes pueblos que uso las
compuertas, debido a que ellos dependían principalmente del agua del río Nilo
para subsistir, ellos tenían un complejo sistema de riego a través de canales, los
cuales regulaban por medio de compuertas, que permitían el paso del agua
cuando el río estaba a su nivel normal y cuando el nivel de este subía la
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DESARROLLO DE PROTOTIPO DEL FUNCIONAMIENTO DE ESCLUSAS PARA EL
TRANSPORTE MARITIMO EN GRANDES ALTURAS
INGENIERIA CIVIL
compuerta se encargaba de no dejar pasar demasiada agua, con esto ellos podían
tener la mayor parte del año el agua suficiente para regar sus cultivos y satisfacer
a la población con el vital líquido. Ésta es una de las principales pruebas que se
tienen del uso de las compuertas en la historia y a pesar de que los egipcios las
utilizaron, no fueron exclusivas de ellos, debido a que a lo largo de la historia
varios pueblos ya utilizaban estas obras de ingeniería, aunque no se diseñaban
como ahora, éstas tenían un funcionamiento por lo regular muy bueno.
A lo largo de la historia de la humanidad la mayoría de las civilizaciones han
utilizado las compuertas para controlar o distribuir el agua a las diferentes partes
de la población, como ya se mencionó anteriormente, las primeras compuertas se
emplearon en canales de riego, pero con la invención de las presas y los grandes
embalses, las compuertas empezaron a cobrar más importancia, debido a que son
las encargadas de controlar el nivel del embalse, el cual debe estar dentro de un
rango para que la presa pueda estar funcionando de manera adecuada; también
con el desarrollo del comercio y las grandes embarcaciones, se empezaron a
crear canales los cuales tenían que vencer desniveles y es ahí donde surgieron
las primeras compuertas tipo esclusa, las cuales rápidamente se empezaron a
utilizar en varias partes del mundo.
Es necesario mencionar que el tipo de compuerta al que nos enfocaremos y sobre
el cual se estará experimentando, es la compuerta de tipo esclusa, uno de los
principales exponentes de las compuertas en las ultimas décadas, debido a que a
ayudado de manera significativa en el flujo de mercancías, agilizando con ello el
comercio y a su vez la economía mundial.
Es necesario tener una idea de lo que es una compuerta, por lo anterior he
decidido agregar la definición de compuerta.
Compuerta: puerta movible que se coloca en las esclusas de los canales y en los
portillos de las presas de río para detener o dejar pasar las aguas.
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DESARROLLO DE PROTOTIPO DEL FUNCIONAMIENTO DE ESCLUSAS PARA EL
TRANSPORTE MARITIMO EN GRANDES ALTURAS
INGENIERIA CIVIL
Una compuerta consiste en una placa móvil, plana o curva, que al levantarse
permite graduar la altura del orificio que se va descubriendo, a la vez que controla
la descarga producida. El orificio generalmente se hace entre el piso de un canal y
el borde inferior de la compuerta, por lo que su ancho coincide con el del canal; en
estas condiciones el flujo puede considerarse bidimensional. (Figuras 1.1 y 1.2).1
V1 2 / 2 g
∆ hr
V 32 / 2 g
H
V 22 / 2 g
y1
y3
a
y2 = C c a
L = a / Cc
Figura 1.1. Compuerta Plana
Fuente: Elaboración Propia
r
V12 / 2 g
∆ hr
V 32 / 2 g
y1
θ
a
V 22 / 2 g
h
y3
y2 = Cc a
L = a / Cc
Figura 1.2. Compuerta Radial
Fuente: Elaboración Propia
1
(Sotelo Ávila Gilberto, Hidráulica General, 2007, pag. 213)
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DESARROLLO DE PROTOTIPO DEL FUNCIONAMIENTO DE ESCLUSAS PARA EL
TRANSPORTE MARITIMO EN GRANDES ALTURAS
INGENIERIA CIVIL
Las compuertas son equipos mecánicos utilizados para el control del flujo del agua
y mantenimiento en los diferentes proyectos de ingeniería, tales como presas,
canales y proyectos de irrigación. Existen diferentes tipos y pueden tener
diferentes clasificaciones, según su forma, función y su movimiento.
Las diferentes formas de las compuertas dependen de su aplicación, el tipo de
compuerta a utilizar dependerá principalmente del tamaño y forma del orificio, de
la cabeza estática, del espacio disponible, del mecanismo de apertura y de las
condiciones particulares de operación.
Algunas de las principales aplicaciones son las siguientes:
Control de flujos de aguas
Control de inundaciones
Proyectos de irrigación
Crear reservas de agua
Sistemas de drenaje
Proyectos de aprovechamiento de suelos
Plantas de tratamiento de agua
Incrementar capacidad de reserva de las presas
Elevar grandes embarcaciones
Como se mencionó anteriormente es importante que se elija bien el tipo de
compuerta a utilizar, por lo cual es importante citar los tipos de compuertas que
existen:
•
Compuerta tipo anillo
•
Compuerta tipo basculante
•
Compuerta tipo cilindro
•
Compuerta tipo lagarto
•
Compuerta tipo rodante
•
Compuerta tipo sector
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DESARROLLO DE PROTOTIPO DEL FUNCIONAMIENTO DE ESCLUSAS PARA EL
TRANSPORTE MARITIMO EN GRANDES ALTURAS
INGENIERIA CIVIL
•
Compuerta tipo segmento
•
Compuerta tipo stoney
•
Compuerta tipo tejado
•
Compuerta tipo vagón
•
Compuerta tipo vicera
•
Compuerta tipo stop log
•
Compuerta tipo esclusa
1.2.1. Compuerta tipo Anillo
Este tipo de compuertas se utiliza en las presas equipadas con vertederos tipo
“tulipa”, este tipo de vertedero se encuentra fuera de la presa, la descarga puede
estar dentro o fuera del cauce del río aguas abajo, y dichas compuertas van
colocadas en las crestas de este tipo de vertederos. (Figura 1.3)
Figura 1.3. Compuerta Tipo Anillo
Fuente: Elaboración Propia
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INGENIERIA CIVIL
1.2.2. Compuerta tipo Basculante
La compuerta basculante es una de las compuertas con mayor utilidad en ríos y
canales ya que puede ser instalada en el fondo de estos y no afecta con la
corriente ni la navegación del río o canal, así como también puede ser utilizada en
la cima de un vertedero de una presa. (Figura 1.4)
Figura 1.4. Compuerta Tipo Basculante
Fuente: Elaboración Propia
1.2.3. Compuerta tipo Cilindro
Estas compuertas son utilizadas para descargas en presión permitiendo la
colocación de la sección de toma a cualquier profundidad, en un embalse. En el
mismo pozo se pueden disponer tomas de agua a diversas alturas y es fácil de
acoplar a una tubería de salida. (Figura 1.5)
14
DESARROLLO DE PROTOTIPO DEL FUNCIONAMIENTO DE ESCLUSAS PARA EL
TRANSPORTE MARITIMO EN GRANDES ALTURAS
INGENIERIA CIVIL
Figura 1.5. Compuerta Tipo Cilindro
Fuente: Elaboración Propia
1.2.4. Compuerta tipo Lagarto
Son compuertas que trabajan a grandes presiones ya sea para descargas de
fondo donde la presión es grande o en centrales hidroeléctricas. Ambos extremos
de la compuerta están equipados con orugas que facilitan su desplazamiento a lo
largo de ranuras paralelas a los lados de la compuerta. Las orugas se mueven
alrededor de la compuerta mientras la
compuerta es movida.
Este tipo de
compuertas es movido por medio de cables de acero tirados por motores, lo que
facilita su operación bajo diferentes condiciones de flujo. (Figura 1.6)
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DESARROLLO DE PROTOTIPO DEL FUNCIONAMIENTO DE ESCLUSAS PARA EL
TRANSPORTE MARITIMO EN GRANDES ALTURAS
INGENIERIA CIVIL
Figura 1.6. Compuerta Tipo Lagarto
Fuente: Elaboración Propia
1.2.5. Compuerta tipo Rodante
Este tipo de compuerta se utiliza en los verteros de las presas, se hace funcionar
desde los pilares del vertedero accionando cadenas, una en cada punta. La
compuerta, constituida por un cilindro vacío, rueda sobre sí misma al ser elevada o
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DESARROLLO DE PROTOTIPO DEL FUNCIONAMIENTO DE ESCLUSAS PARA EL
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INGENIERIA CIVIL
descendida, lo cual permite liberar el vano del vertedero y esto hace posible la
navegación. (Figura 1.7)
Figura 1.7. Compuerta Tipo Rodante
Fuente: Elaboración Propia
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DESARROLLO DE PROTOTIPO DEL FUNCIONAMIENTO DE ESCLUSAS PARA EL
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1.2.6. Compuerta tipo Sector
Compuerta utilizada en vertederos de presas, es manipulada utilizando el desnivel
de agua creado por estas, no requiere de equipo mecánico para su operación. La
necesidad de contar con una cámara donde se abate la compuerta hace que el
vertedero no pueda tener la forma óptima, lo que incrementa el volumen de
concreto del mismo. También conocidas como compuertas tambor. (Figura 1.8)
Figura 1.8. Compuerta Tipo Sector
Fuente: Elaboración Propia
1.2.7. Compuerta tipo Segmento
Se utilizan principalmente en las crestas de los vertederos de las presas, son
accionadas mediante pistones hidráulicos o neumáticos. Algunas de estas
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TRANSPORTE MARITIMO EN GRANDES ALTURAS
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compuertas están equipadas en su parte superior de un elemento basculante,
generalmente operado por medio de pistones neumáticos o hidráulicos. Bajando
este elemento basculante se consigue descargar cantidades limitadas de agua, y
eliminar elementos fluctuantes del embalse. (Figura 1.9)
Figura 1.9. Compuerta Tipo Segmento
Fuente: Elaboración Propia
1.2.8. Compuerta tipo Stoney.
Este tipo de compuertas son muy parecidas a las compuertas tipo lagarto y al igual
que éstas trabajan a grandes presiones en el fondo de embalses o centrales
hidroeléctricas, sólo que las orugas que tiene este tipo de compuertas se
encuentran únicamente de un lado y de igual forma sirven para abrir o cerrar la
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DESARROLLO DE PROTOTIPO DEL FUNCIONAMIENTO DE ESCLUSAS PARA EL
TRANSPORTE MARITIMO EN GRANDES ALTURAS
INGENIERIA CIVIL
compuerta. Este tipo de compuertas es movido por medio de cables de acero
tirados por motores, lo que facilita su operación bajo diferentes condiciones de
flujo. (Figura 1.10)
Figura 1.10. Compuerta Tipo Stoney
Fuente: Elaboración Propia
1.2.9. Compuerta tipo Tejado
Es un tipo de compuerta hidráulica utilizado en vertederos de presas. Es operada
utilizando el desnivel de agua creado por éstas y no requiere de equipo mecánico
para su operación. Su función principal es evitar el paso del agua hasta el
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DESARROLLO DE PROTOTIPO DEL FUNCIONAMIENTO DE ESCLUSAS PARA EL
TRANSPORTE MARITIMO EN GRANDES ALTURAS
INGENIERIA CIVIL
momento en que es abierta. Cuenta con una cámara donde se abate lo cual hace
que el vertedero pierda su forma óptima. (Figura 1.11)
Figura 1.11. Compuerta Tipo Tejado
Fuente: Elaboración Propia
1.2.10.
Compuerta tipo Vagón
Esta compuerta hidráulica está diseñada para trabajar a grandes presiones por lo
que es utilizada únicamente en descargas de fondo y bocatomas de presas, es
accionada por un pistón hidráulico o neumático, el cual la abre o la cierra. (Figura
1.12)
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DESARROLLO DE PROTOTIPO DEL FUNCIONAMIENTO DE ESCLUSAS PARA EL
TRANSPORTE MARITIMO EN GRANDES ALTURAS
INGENIERIA CIVIL
Figura 1.12. Compuerta Tipo Vagón
Fuente: Elaboración Propia
1.2.11.
Compuerta tipo Vicera
Esta compuerta hidráulica es muy similar a la compuerta tipo esclusa ya que tiene
el mismo funcionamiento de ésta, solo que su forma es distinta ya que tiene forma
de arco y al igual que la compuerta esclusa la accionan los pistones hidráulicos o
neumáticos y únicamente se utiliza en canales navegables. (Figura 1.13)
22
DESARROLLO DE PROTOTIPO DEL FUNCIONAMIENTO DE ESCLUSAS PARA EL
TRANSPORTE MARITIMO EN GRANDES ALTURAS
INGENIERIA CIVIL
Figura 1.13. Compuerta Tipo Vicera
Fuente: Elaboración Propia
1.2.12.
Compuerta tipo Stop Log
Es un tipo de compuerta hidráulica utilizada como compuerta auxiliar, para poder
dar mantenimiento a las compuertas principales, se utiliza en todos los lugares
donde hay algún tipo de compuerta hidráulica, ya sean vertederos, descargas de
fondo, canales, ríos, etc. (Figura 1.14)
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DESARROLLO DE PROTOTIPO DEL FUNCIONAMIENTO DE ESCLUSAS PARA EL
TRANSPORTE MARITIMO EN GRANDES ALTURAS
INGENIERIA CIVIL
Figura 1.14. Compuerta Tipo Stop Log
Fuente: Elaboración Propia
1.2.13.
Compuerta tipo esclusa
Este tipo de compuerta es utilizada principalmente en ríos y canales, su
funcionamiento es muy simple ya que las compuertas constan de bisagras
verticales, que son accionadas por pistones o medios mecánicos, las cuales se
abren o se cierran al igual que una puerta común. Las compuertas son abiertas
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DESARROLLO DE PROTOTIPO DEL FUNCIONAMIENTO DE ESCLUSAS PARA EL
TRANSPORTE MARITIMO EN GRANDES ALTURAS
INGENIERIA CIVIL
para permitir el paso de las embarcaciones, cuando el nivel de agua afuera y
dentro de la esclusa se encuentren a pocos centímetros de diferencia. Su función
principal es hacer elevar o descender las embarcaciones y así vencer los grandes
desniveles. (Figura 1.15)
Figura 1.15. Compuerta Tipo Esclusa
Fuente: Elaboración Propia
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DESARROLLO DE PROTOTIPO DEL FUNCIONAMIENTO DE ESCLUSAS PARA EL
TRANSPORTE MARITIMO EN GRANDES ALTURAS
INGENIERIA CIVIL
Este es el tipo de compuerta hidráulica para el cual se realizará el prototipo,
tomando como base el canal de Panamá que es un canal que consiste en
compuertas tipo esclusas son unos de sus principales elementos ya que éstas son
las encargadas de evitar la entrada y salida del agua la cual servirá para hacer
subir o bajar de nivel a las grandes embarcaciones en su paso por el canal. Claro
las compuertas que se utilizarán el prototipo tendrán otro mecanismo de apertura y
cerrado muy diferente a las utilizadas en el Canal de Panamá, debido a que la
escala del prototipo es mucho más pequeña, lo cual da la posibilidad de utilizar
mecanismos más baratos y más sencillos, los cuales pueden funcionar de manera
correcta en canales muchísimo más pequeños como el tamaño del prototipo, es
por esto que el mecanismo a base de pistones hidráulicos se desechó y se optó
por diseñar un mecanismo más fácil y viable para nuestro prototipo a base de
cadenas, piñones y flechas.
1.3. Diseño
El gasto de una compuerta y las características hidráulicas de su descarga se
pueden conocer a partir del estudio de red de flujo. La red de flujo de la compuerta
plana, de la figura 1.16, permite observar con claridad la contracción que
experimenta el chorro descargado por el orificio de altura a, hasta alcanzar un
valor C c a en la distancia L en la que las líneas de corriente se vuelven
horizontales y tienen por ello una distribución hidrostática de presiones. Debido al
fenómeno de contracción y a la fricción con el piso, se produce una pérdida de
carga ∆hr que influye en el cálculo del gasto. Asimismo, la carga de velocidad
V12 / 2 g con que llega el agua en el canal, aguas arriba de la compuerta, tiene
mayor importancia a medida que la relación y1 / a disminuye. 2
2
Sotelo Ávila Gilberto, Hidráulica General, 2007, pag. 213
26
DESARROLLO DE PROTOTIPO DEL FUNCIONAMIENTO DE ESCLUSAS PARA EL
TRANSPORTE MARITIMO EN GRANDES ALTURAS
INGENIERIA CIVIL
Línea de energía
V12 / 2 g
∆hr
Punto de estancamiento
Distribución de
presiones sobre
la compuerta
V 2 / 2g
H
ρ /γ
D. de p.
sobre el
piso
V1
V 22 / 2 g
H
y1
a
ρ /γ
V 2 / 2g
γ y1
ρ /γ
F1
L = a / Cc
Cc a
γ Cc a
Distribución de presiones
en la sección de orificio
Figura 1.16. Red de flujo para una compuerta plana
Fuente: Elaboración Propia
En el canto inferior de la compuerta las líneas de corriente tienden a unirse y es
ahí donde la velocidad adquiere su máximo valor. Debido a la curvatura de las
líneas de corriente una gran presión actúa sobre la línea de intersección del plano
de la compuerta, razón por la cual se tiene una velocidad pequeña.3
Para obtener la ecuación que proporcione el gasto, aquí se considerará el caso
más general de una compuerta plana, con una inclinación θ º respecto a la
horizontal (Figura 1.17) y un ancho b . La inclinación θ º es equivalente a la de la
tangente en el labio de la compuerta radial, de la figura 1.2 y con θ = 90º incluye el
caso de la compuerta vertical figura 1.1. Se establece la ecuación de la energía
3
Sotelo Ávila Gilberto, Hidráulica General, 2007, pag. 213
27
DESARROLLO DE PROTOTIPO DEL FUNCIONAMIENTO DE ESCLUSAS PARA EL
TRANSPORTE MARITIMO EN GRANDES ALTURAS
INGENIERIA CIVIL
entre una sección 1, aguas arriba, de la compuerta y la sección contraída, a
saber:4
V12
V22
H = y1 +
= Cc a +
2g
2g
(Ecuación 1.1)
V12 / 2 g
V 22 / 2 g
H
y1
θ
V1
a
V2
y2 = C ca
Figura 1.17. Compuerta plana inclinada
Fuente: Elaboración Propia
Por parte de la ecuación de la continuidad se tiene:
V1 =
Cc a
V2 (Ecuación 1.2)
y1
que sustituida en la ecuación 1.1 conduce a:
2
C a V 2
V2
y1 +  c  2 = C c a + 2
2g
 y1  2 g
4
Sotelo Ávila Gilberto, Hidráulica General, 2007, pag. 214
28
DESARROLLO DE PROTOTIPO DEL FUNCIONAMIENTO DE ESCLUSAS PARA EL
TRANSPORTE MARITIMO EN GRANDES ALTURAS
INGENIERIA CIVIL
y de aquí se obtiene que:
 Cc a 
1 −
 y1
y1 
y1 − C c a
V

=
=
2g
 C c a   C c a  C c a 
 1 +
1 −

1 − 
y1 
y1 
 y1  
2
2
Por lo tanto, la velocidad media real en la sección contraída es:
V2 =
Cv
(Ecuación 1.3)
2 gy1
Ca
1+ c
y1
en que C v es el coeficiente de velocidad
El gasto es:
Q=
C c C v ba
Ca
1+ c
y1
Q = C d ba 2gy1
2 gy1
(Ecuación 1.4)
donde:
Cd =
Cc Cv
Ca
1+ c
y1
(Ecuación 1.5)
29
DESARROLLO DE PROTOTIPO DEL FUNCIONAMIENTO DE ESCLUSAS PARA EL
TRANSPORTE MARITIMO EN GRANDES ALTURAS
INGENIERIA CIVIL
En la ecuación 1.5
1+
Cc a
sirve para considerar el empleo de y1 en el lugar de
y1
H.
Si la descarga es sumergida con un tirante y 3 en el canal, aguas debajo de la
compuerta, se puede hacer un desarrollo análogo al anterior y obtener una
expresión idéntica a la ecuación 1.4 para cualquier tipo de compuerta.5
Los
coeficientes
de
velocidad,
contracción
y
gasto
los
han
obtenido
experimentalmente muchos investigadores; sin embargo, en ningún caso se ha
encontrado coincidencia en los resultados.6
Los coeficientes C v , C c , y C d dependen, desde luego, de la geometría del flujo y
del número de Reynolds. De acuerdo con varios investigadores los resultados en
la mayoría de los problemas, en la práctica, se supera el número de Reynolds a
partir del cual el flujo se torna independiente de él.7
Lo anterior es lo referente al cálculo de una compuerta, para poder determinar que
su funcionamiento sea el adecuado y que cumpla con los propósitos de su
fabricación, pero para el caso de una compuerta tipo esclusa es importante
también conocer el principio de Arquímedes debido a que los barcos utilizan este
principio para flotar y como este tipo de compuertas es la encargada de elevar las
embarcaciones este punto no se debe de dejar pasar.
1.4. Empuje hidrostático sobre superficies curvas
Cuando es curva la superficie sobre la que se ejerce presión hidrostática, ésta se
puede proyectar sobre un sistema triortogonal de planos coordenados,
convenientemente dispuesto, de manera que uno de ellos coincida con la
5
Sotelo Ávila Gilberto, Hidráulica General, 2007, pag. 215
Ídem, pag. 215
7
Ídem, pag. 215
6
30
DESARROLLO DE PROTOTIPO DEL FUNCIONAMIENTO DE ESCLUSAS PARA EL
TRANSPORTE MARITIMO EN GRANDES ALTURAS
INGENIERIA CIVIL
superficie libre del líquido. Así, se procede a calcular el empuje hidrostático por
separado sobre cada proyección.8
Si los planos de las coordenadas x − z y y − z son verticales y el x − y coincide
con la superficie del líquido (Figura 1.18a), las componentes del empuje
hidrostático sobre la superficie curva 1,2,3,4, son:
Px = γ
∫∫
Py = γ
∫∫
Pz = γ
Ax
Ay
∫∫
Az
zdA x = γ ( z G ) A x
(Ecuación 1.6a)
x
zdA
y
= γ (z G
)
A y (Ecuación 1.6b)
y
zdA z = γ ( z G ) A z (Ecuación 1.6c)
z
donde Ax , Ay , Az , son las áreas de las proyecciones de la superficie sobre los tres
planos de coordenadas; ( z G ) x y ( z G ) y la profundidad del centro de gravedad de
dichas proyecciones y z G la profundidad del centro de gravedad de la superficie
curva en el espacio. La ecuación 1.6c indica que Pz es igual al peso de la columna
de líquido soportada por la superficie curva, y z G la altura de dicha columna
coincida con su centro de gravedad (Figura 1.18a).9
En la misma forma, las coordenadas del centro de presiones sobre cada
proyección de la superficie curva son (Figura 1.18a):
Para la proyección Az :
(z k )x
8
9
=
I
y
(z G )x
A
;
y
k
=
x
I
yz
(z G )x
A
(Ecuación 1.7a)
x
Ídem, pag. 53
Sotelo Ávila Gilberto, Hidráulica General, 2007, pag. 53
31
DESARROLLO DE PROTOTIPO DEL FUNCIONAMIENTO DE ESCLUSAS PARA EL
TRANSPORTE MARITIMO EN GRANDES ALTURAS
INGENIERIA CIVIL
Para la proyección Ay :
( z k )y
=
I
x
( z G )y
A
;
y
y
k
=
I
xx
( z G )y
A
(Ecuación 1.7b)
y
donde:
Iy
momento de inercia de Ax respecto de y
I yz momento de inercia de Ax respecto de y y z
Ix
momento de inercia de Ay respecto de x
I xz momento de inercia de Ay respecto de x y z
Como sucede en cualquier sistema de fuerzas en el espacio, no siempre es
posible obtener una fuerza resultante única sino que además puede haber un par.
Al proyectar la superficie curva sobre los tres planos de coordenadas puede
suceder que algunas partes de ella se superpongan, partes que se suprimen en la
determinación de Px o Py , ya que se eliminan las presiones horizontales que
resultan. Éste es el caso de la proyección de la superficie curva ABC (de la fig.
1.18b) sobre el plano yz , ya que resulta como proyección la superficie A`C `. En el
caso de la figura 1.18c la componente Px del empuje hidrostático sobre la
32
DESARROLLO DE PROTOTIPO DEL FUNCIONAMIENTO DE ESCLUSAS PARA EL
TRANSPORTE MARITIMO EN GRANDES ALTURAS
INGENIERIA CIVIL
superficie AB , según la ecuación 1.6c es igual al peso del volumen imaginario del
líquido que soportaría la propia superficie.10
X
3z
(a)
2z
4z
Az
dAz
1z
Y
2y
(zK ) y
( zG ) y
Gy
1y
xG
xK
yG
3y
k
4y
Ay
2x
yK
2
( zG ) x
Pz
3
Py
dA 1
(zK ) x
Px
A
4
1x
dAx
k
Ax
3x
4x
Z
(c)
y
(b)
o
x
v
G
z
A
A'
A
dP
z
Pz
dPz
B
Figura 1.18. a,b,c
Fuente: Elaboración Propia
10
Sotelo Ávila Gilberto, Hidráulica General, 2007, pag. 54
33
DESARROLLO DE PROTOTIPO DEL FUNCIONAMIENTO DE ESCLUSAS PARA EL
TRANSPORTE MARITIMO EN GRANDES ALTURAS
INGENIERIA CIVIL
1.5. Principio de Arquímedes
En el caso de un cuerpo solidó cualquiera flotando en un liquido (Figura 1.19)
existe un estado de equilibrio debido a que el líquido ejerce sobre el cuerpo una
presión ascendente de igual magnitud que el peso propio del cuerpo, que se
puede calcular a partir de los resultados del tema anterior.11
p a dA z
1
pa
G
z
A
Pz
2
(p
a
+ γ z )dAz
Figura 1.19. Flotación de un cuerpo
Fuente: Elaboración Propia
En efecto, se observa que las componentes horizontales de las fuerzas de presión
hidrostática se eliminan sin existir resultante horizontal alguna. Sólo existe la
componente vertical Pz , la que se determina del equilibrio del cilindro vertical de
sección transversal horizontal dAz , limitado por la superficie A que encierra al
cuerpo. Sobre el punto 1 actúa la fuerza elemental ( p a + γ z )dAz . La resultante de
las fuerzas verticales ascendentes es:12
Pz =
=
∫∫ [( p
A
γ
∫∫
A
11
12
a
+ γ
z
zdA
z )dA
z
− p a dA
z
]
z
z
Sotelo Ávila Gilberto, Hidráulica General, 2007, pag. 58
Ídem, pag. 58
34
DESARROLLO DE PROTOTIPO DEL FUNCIONAMIENTO DE ESCLUSAS PARA EL
TRANSPORTE MARITIMO EN GRANDES ALTURAS
INGENIERIA CIVIL
La integral es igual al volumen
vs de la parte del cuerpo en flotación que se
encuentra debajo de la superficie libre del líquido; esto es:
Pz = γ v s
(Ecuación 1.18 )
La ecuación anterior es la interpretación matemática del conocido principio de
Arquímedes: “Todo cuerpo sumergido en un liquido experimenta un empuje
vertical ascendente igual al peso del volumen de líquido desalojado”. El punto de
explicación de dicho empuje coincide con el centro de gravedad del volumen
desalojado y se conoce con el nombre de centro de flotación o de carena.13
A continuación se mencionarán los problemas que ayudan a resolver las esclusas:
1.6. Problemas que resuelven las esclusas.
El principal problema que se encarga de resolver este tipo de compuerta es lograr
elevar grandes embarcaciones para así hacerlas llegar a su destino final,
reduciendo con esto el tiempo de navegación de las embarcaciones, el
combustible de las mismas y logrando reducir al mismo tiempo la distancia a
navegar. En la actualidad las esclusas son obras hidráulicas muy importantes que
en la mayoría de los casos se utilizan para transportar a las grandes
embarcaciones en su paso por un río o un canal.
También es importante mencionar que las compuertas tipo esclusa que son
utilizadas en canales encargados del paso de grandes embarcaciones, son en
muchos casos los puntos más fuertes de la economía del país donde se
encuentren, es por ello que en la mayoría de los casos en que se mencionan las
esclusas encontraremos que por ellas pasan embarcaciones de grandes
dimensiones las cuales transportan grandes cantidades de mercancías y
productos. En varias ocasiones las compuertas se encuentran en puertos los
13
Sotelo Ávila Gilberto, Hidráulica General, 2007, pag. 59
35
DESARROLLO DE PROTOTIPO DEL FUNCIONAMIENTO DE ESCLUSAS PARA EL
TRANSPORTE MARITIMO EN GRANDES ALTURAS
INGENIERIA CIVIL
cuales se ven beneficiados con la implementación de éstas, debido a que algunas
veces estos puertos se encargan de elevar o llevar a los barcos a ríos los cuales
van tierras a dentro, a ciudades que se encargan de recibir o exportan productos,
haciendo con esto que la economía de dicho país sea buena.
Este tipo de esclusas en conjunto con el canal forman una estructura muy
importante en la actualidad, como es en el caso del canal de Panamá, que como
sabemos es una de las más importantes obras de ingeniería del mundo, ya que
antes de que el canal
fuera construido las grandes embarcaciones que
transportan materia prima así como productos ya terminados, tenían que rodear la
parte de América del Sur para poder pasar del Océano Atlántico al Océano
Pacifico o viceversa, lo cual originaba en aquel entonces que el tiempo de llegada
a su destino fuera mucho mayor al que hoy en día se logra, lo cual hacia que se
perdieran grandes cantidades de dinero. Es por lo anterior que el canal de
Panamá con sus esclusas es muy importante en la economía mundial.
1.7. Justificación
La elaboración y construcción de este tipo de canales a base de esclusas son de
gran importancia debido a que agilizan el comercio y con ello ayudan a la
economía de todos los países que los utilicen, es por ello que en la actualidad los
investigadores y grandes países, se preocupen cada vez más por ir
perfeccionando este tipo de obras hidráulicas, las cuales con el paso de los años
serán más utilizadas, haciendo con esto que cada vez más se publiquen artículos
y libros relacionados con ellas.
La construcción del canal de Panamá ayudó a agilizar el comercio en la parte
centro y sur de América, también redujo el tiempo, costo, combustible y distancia a
navegar de las grandes embarcaciones produciendo así un gran avance en la
parte centro y sur de América, lo cual llevó también a que las economías de los
países cercanos al canal de Panamá crecieran y esto ocasionó el crecimiento de
grandes ciudades en dichos países. Esto originó que se hicieran grandes
36
DESARROLLO DE PROTOTIPO DEL FUNCIONAMIENTO DE ESCLUSAS PARA EL
TRANSPORTE MARITIMO EN GRANDES ALTURAS
INGENIERIA CIVIL
investigaciones enfocadas a dar solución es especifico a este canal, las cuales
después de ser estudiadas y analizadas correctamente se pusieron en práctica,
dejando así estudios que más adelante los otros investigadores también utilizaron
para diseñar o construir otros canales similares.
Con la elaboración del prototipo a escala se logrará ayudar a los estudiantes a
entender y comprender el funcionamiento de las esclusas, y los fenómenos que se
presentan en el canal, esto se podrá lograr ya que en el canal se podrán realizar
prácticas en las que se presenten dichos fenómenos. Los alumnos no solo podrán
ver como funciona el a canal sino que ellos mismos aprenderán a utilizarlo para
así generar los fenómenos y el funcionamiento del mismo. También en el se podrá
experimentar y con ello hacer mejorías a otras esclusas que en su caso estén
fallando, haciendo con esto que el prototipo sea una herramienta importante en el
laboratorio de hidráulica.
37
DESARROLLO DE PROTOTIPO DEL FUNCIONAMIENTO DE ESCLUSAS PARA EL
TRANSPORTE MARITIMO EN GRANDES ALTURAS
INGENIERIA CIVIL
2. Capítulo II: Historia de las Esclusas
2.1. Marco Teórico.
En este capítulo se describirá la historia de las esclusas, también se mencionarán
todos aquellos lugares donde se utilizan y cómo es que estás han solucionado los
distintos problemas para lo que fueron construidas.
La historia de las esclusas no es muy vieja, ya que se empezaron a utilizar a
finales del siglo XIX y unas de las primeras esclusas fueron las del Canal de
Panamá, debido a la gran importancia que éstas tuvieron en el mundo, pero se
sabe que antes de éstas ya había otras.
Las esclusas a lo largo de la historia han ayudado al ser humano a vencer los
grandes problemas que a veces encontramos en nuestros proyectos, tal vez
debido a querer llevar una embarcación a un punto elevado o por el solo hecho de
querer reducir una distancia haciendo una ruta más corta y en ella teniendo que
utilizar las esclusas. El hecho es que el hombre las ha utilizado para llevar a cabo
obras muy importantes ya sean con el fin de agilizar el comercio o incluso hasta
con fines militares, es por éstas y varias razones más que las esclusas son y
seguirán siendo una parte muy importante de lo que hoy en día es la hidráulica.
En la historia, las esclusas han jugado un papel muy importante, ya que en los
lugares donde se han construido este tipo de compuertas, se originaron cambios
muy grandes e importantes para ese lugar, un ejemplo donde podemos ver lo
antes mencionado es en Panamá donde se construyó el canal que une al Océano
Atlántico con el Pacífico, conocido con el nombre de “Canal de Panamá”. Debido a
que el canal fue motivo de grandes conflictos económicos, políticos y sociales en
la época en que fue construido, y no solo fueron conflictos internos sino que
intervinieron también grandes potencias mundiales como Francia y Estado Unidos,
las cuales intervinieron en la planeación y construcción del canal, tanto fue así que
38
DESARROLLO DE PROTOTIPO DEL FUNCIONAMIENTO DE ESCLUSAS PARA EL
TRANSPORTE MARITIMO EN GRANDES ALTURAS
INGENIERIA CIVIL
Estados Unidos se quedó con la concesión del canal varios años hasta que se
venció el contrato que tenía y se regreso dicho canal al gobierno de Panamá, pero
no solo Panamá, Francia y Estados Unidos salieron beneficiados con la
construcción del canal, debido a que éste fue un gran paso para la economía y el
comercio mundial, haciendo este canal que se fortalecieran varios países su
economía y llevándolos así a ser grandes potencia mundiales tal es el caso de
China y Japón.
Las esclusas se utilizan principalmente para elevar o descender embarcaciones,
por lo general las podemos encontrar en canales creados por el hombre, los
cuales son utilizados para el transporte comercial y en algunos casos para el
turístico.
En la actualidad el uso de las esclusas es cada vez más común, a continuación se
mencionarán algunos de los lugares donde han sido implementados canales con
esclusas y como es que estos impactaron el país donde están.
2.1.1. Canal de Panamá.
Uno de los primeros canales con esclusas en el mundo y en el que se inspiraron la
mayoría de los demás canales con esclusas, es el canal de Panamá. Es
importante saber que este canal ha llegado a ser uno de los principales
exponentes de las esclusas, debido a la importancia que estas tienen al elevar las
embarcaciones de más de 10 000 toneladas, para con ello poder transportar
grandes cantidades de productos y materia prima, lo que ha llevado a fortalecer la
economía de dicho país.
Por otra parte también el canal fue construido en una época en que los avances
tecnológicos no eran tantos como en la actualidad lo que lo llevo en su momento a
ser estudio de grandes ingenieros los cuales adoptaron los dispositivos utilizados
en él y los adaptaron a otros canales.
39
DESARROLLO DE PROTOTIPO DEL FUNCIONAMIENTO DE ESCLUSAS PARA EL
TRANSPORTE MARITIMO EN GRANDES ALTURAS
INGENIERIA CIVIL
El canal de Panamá se empezó a construir en el año de en 1881, pero se
detuvieron las obras solo al haber transcurrido 9 años, ya que la compañía
francesa que lo construía se declaró en quiebra, y no fue si no hasta 1903 cuando
el Gobierno de la nueva Republica Independiente de Panamá concedió a los
Estados Unidos el permiso de proseguir las obras interrumpidas. Debido al
divisionismo que en aquel entonces había en Panamá ya que se acababa de
independizar, Estados Unidos tomo ventaja de esto e hicieron un contrato donde
les pertenecía el canal a ellos, ya que ellos pondrían todo el capital para la
construcción de dicho canal y así se continúo con la construcción. El primer
proyecto que los franceses habían estudiado era el de hacer todo el canal a un
sólo nivel y con esto unir los dos grandes océanos, pero al estudiar esta
alternativa los ingenieros de Estados Unidos se dieron cuenta de que este
proyecto seria demasiado caro y podría no funcionar ya que entre los dos océanos
había un desnivel de 10 metros el cual era demasiado grande, por esto los
ingenieros Americanos optaron por hacer un canal a base de grandes compuertas
esclusas las cuales elevarían el nivel del canal en 30 metros haciendo posible con
esto el paso de grande embarcaciones. Ahora tenían otro problema el cual
consistía en un gran problema sanitario el cual afrontaron y resolvieron mediante
la instalación de numerosos hospitales, el empleo de centenares de médicos y
millares de enfermeras, y la desinfección de las zonas plagadas de mosquitos
productores del paludismo, lograron llevar a cabo la empresa. Más pese a las
medidas de sanidad, las víctimas de la construcción del canal se pueden contar
por millares. Finalmente, el día 15 de agosto de 1914 la primera nave surcaba las
aguas de la nueva vía de comunicación y pasaba del océano Atlántico al Pacífico.
El costo total del canal ascendió a varios millones de dólares.
El Canal de Panamá tiene una longitud de 68 kilómetros, a los que se deben
agregar alrededor de 11 kilómetros, limitados por boyas, en la zona del Atlántico y
otros 3 kilómetros, en la parte del Pacífico, que inician el canal antes de que éste
penetre en tierra firme. Su profundidad media oscila entre 12 y 14 metros,
40
DESARROLLO DE PROTOTIPO DEL FUNCIONAMIENTO DE ESCLUSAS PARA EL
TRANSPORTE MARITIMO EN GRANDES ALTURAS
INGENIERIA CIVIL
asegurando así el pasaje de las naves de mayor calado. Su anchura varía entre
90 y 350 metros.
El canal comienza en la bahía de Limón, a 11 kilómetros de tierra firme. Una vez
dentro del continente, la nave atraviesa, la zona de las esclusas de Gatún, que la
elevan a una altura de 26 metros y le permiten navegar por el lago del mismo
nombre, a lo largo de un recorrido señalado por boyas, iluminado durante la noche
por faros. Después de ésta, navega en una profunda "garganta", excavada en las
rocas (el trabajo más arduo de toda la empresa); luego, mediante las esclusas de
Pedro Miguel, desciende casi al nivel del océano Pacífico entrando en el pequeño
lago de Miraflores; finalmente, a través de las esclusas de Miraflores, alcanza el
océano y navega algunos kilómetros por una zona indicada por boyas, como en el
océano Atlántico. (Ver Imagen 2.1)
Imagen 2.1 Funcionamiento de esclusas
Fuente: Gobierno de Panamá
Aún cuando en años recientes ha habido un aumento en el número y el tamaño de
los barcos que transitan, gracias a la ejecución de mejoras diseñadas para
41
DESARROLLO DE PROTOTIPO DEL FUNCIONAMIENTO DE ESCLUSAS PARA EL
TRANSPORTE MARITIMO EN GRANDES ALTURAS
INGENIERIA CIVIL
responder a la demanda del tráfico el tiempo promedio de permanencia de un
barco en aguas del Canal sigue siendo inferior a las 24 hrs.
La República de Panamá asumió la responsabilidad total por la administración,
funcionamiento y mantenimiento del Canal de Panamá al mediodía del 31 de
diciembre de 1999. La entidad gubernamental, denominada la Autoridad del Canal
de Panamá (ACP), creada por la Constitución Política de la República de Panamá
y organizada por la Ley 19 del 11 de junio de 1997 es la responsable de la
administración del canal.
El canal proporciona una vía de tránsito corta y relativamente barata entre estos
dos grandes océanos, ha influido considerablemente sobre los patrones del
comercio mundial, ha impulsado el crecimiento en los países desarrollados y le ha
dado a muchas áreas remotas del mundo el impulso básico que necesitan para su
expansión económica.
Por ejemplo, un barco carbonero que sale de la costa oriental de los Estados
Unidos en dirección al Japón por la vía del Canal de Panamá ahorra unos 4.800
kilómetros, en comparación con la alternativa más corta de una ruta marítima; un
barco bananero que sale de Ecuador en dirección a Europa, ahorra una distancia
de unos 9.000 kilómetros, es por esto que el canal de Panamá es unos de los
principales exponentes de las compuertas esclusas.
2.1.2. Canal de Rideau
El Canal Rideau es un canal localizado en Ontario, Canadá. Divide la ciudad de
Ottawa, la capital de Canadá.
Este canal fue construido con fines militares en el siglo XIX, cuando Gran Bretaña
y Estados Unidos se disputaban el control de la región, se extiende a lo largo 202
kilómetros de los cursos de los ríos Rideau y Cataraqui, siguiendo una trayectoria
sur, desde Ottawa hasta el puerto de Kingston, en el lago Ontario. Fue uno de los
42
DESARROLLO DE PROTOTIPO DEL FUNCIONAMIENTO DE ESCLUSAS PARA EL
TRANSPORTE MARITIMO EN GRANDES ALTURAS
INGENIERIA CIVIL
primeros diseñados exprofeso para la navegación de barcos de vapor, cuenta
también con un conjunto de fortificaciones. Desde los inicios del proyecto, en
1826, los británicos optaron por el sistema de inundar los rápidos fluviales gracias
a presas altas, a fin de reducir al mínimo las excavaciones. Así, se construyeron
múltiples presas que elevaron el nivel de los ríos hasta hacerlos navegables y se
creó una cadena de 50 esclusas de grandes dimensiones.
El canal Rideau es uno de los ejemplos más notable de vía de agua, que aún
existe, creada con la técnica europea “slackwater” en América de Norte. Además,
es el único canal del periodo de auge de la construcción de estas obras de
ingeniería en este continente, que sigue siendo operacional a lo largo de su
recorrido primitivo, conservando intactas casi todas sus estructuras. El canal fue
protegido militarmente con seis bloqueos y un fuerte, a los cuales vinieron a
agregarse las obras de fortificación realizadas en algunas casas de los que
maniobraban las esclusas. Entre 1846 y 1848 se edificaron, además, cuatro torres
“Martello” para reforzar las defensas del puerto de Kingston. La importancia
histórica del Canal Rideau estriba en que es un testimonio de la lucha por el
control del norte del continente americano.
En la actualidad el canal es un punto turístico importante de la ciudad, con
diversos senderos y paseos arbolados y parques en sus proximidades, haciendo
con esto que la ciudad de Ontario sea un importante centro de atención para la
gran mayoría de Turistas en todo el mundo.
Debido a la nieve, el canal permanece congelado hasta siete metros de
profundidad, impidiendo la navegación de barcos. Con el hielo, el canal es
utilizado como una inmensa pista de patinaje sobre hielo, la mayor del mundo. Es
también usado para practicar hockey sobre hielo. El período de patinaje abarca de
diciembre hasta el inicio de marzo (ver Imagen 2.2), después de marzo el hielo
comienza a derretirse gradualmente, diminuyendo el espesor e iniciando la
temporada de navegación. (Ver Imagen 2.3)
43
DESARROLLO DE PROTOTIPO DEL FUNCIONAMIENTO DE ESCLUSAS PARA EL
TRANSPORTE MARITIMO EN GRANDES ALTURAS
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Imagen 2.2 Fotografía Canal de Rideau en invierno.
Fuente: Gobierno de Canadá
En el verano se vuelve navegable, pero al ser relativamente estrecho, el canal es
usado principalmente para el turismo. Hay vigilancia para evitar el transporte de
productos ilegales. Es navegable entre mayo a septiembre, que es el período más
caliente.
Imagen 2.3 Fotografía Canal de Rideau
Fuente: Enciclopedia Encarta
44
DESARROLLO DE PROTOTIPO DEL FUNCIONAMIENTO DE ESCLUSAS PARA EL
TRANSPORTE MARITIMO EN GRANDES ALTURAS
INGENIERIA CIVIL
Es por todo lo antes mencionado, que el canal de Rideau, también es un
exponente digno de las compuertas tipo esclusas, debido a la época en la que fue
construido y por la historia que tiene el mismo.
2.1.3. Esclusa de Berendrecht
La esclusa del puerto de Amberes en Bélgica es una de las más impresionantes
en el mundo, es considerada como una obra maestra de la ingeniería y uno de los
mayores logros contemporáneos de Amberes.
La esclusa de Berendrecht, en el Puerto de Amberes, es la mayor esclusa del
mundo hasta la fecha, con sus 500 metros de largo, 68 de ancho y 18 de
profundidad. Tardó siete años en construirse y está equipada con un sistema de
bombeo de principios de 1990. (Ver Imagen 2.4)
Imagen 2.4 Fotografía Esclusa de Berendrecht
Fuente: Enciclopedia Encarta
45
DESARROLLO DE PROTOTIPO DEL FUNCIONAMIENTO DE ESCLUSAS PARA EL
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INGENIERIA CIVIL
La reducción de costos fue un factor clave para la genial ingeniería de esta
esclusa, posteriormente aplicada a las otras seis esclusas de Amberes.
El Puerto de Amberes se construyó para permitir el tráfico desde el Mar del Norte
a lo largo del río Scheldt. Está ubicado a 60 kilómetros del mar del Norte, sobre el
río. Este río se ve afectado por dos mareas diarias y, con desniveles superiores a
cinco metros en algunos lugares, lo cual exige esclusas.
En el 2001, 160 000 barcos de alta mar y 80 000 barcos fluviales y costeros
pasaron por las esclusas del Puerto de Amberes, unos 650 barcos diarios, de más
de 90 países. El año pasado, el volumen total transportado ascendió a 130
millones de toneladas, el segundo puerto en importancia de Europa después de
Rotterdam.
Cuando a mediados de 1980 se decidió construir una esclusa mayor, para
acomodar el creciente tráfico, el director del puerto se mostró inflexible en un
punto: se debería usar otro sistema de bombeo que el usado en las demás
esclusas del mundo, porque era demasiado costoso de instalar, equipar y
mantener.
El método antiguo consistía en bombear agua desde las cámaras de puertas a la
esclusa usando una estación de bombeo tradicional. En cada cabeza de esclusa
se situaba una pileta. Bombas fijas situadas en la pileta vaciaban la cámara. En
Amberes, las instalaciones, las bombas y los costos de mantenimiento ascendían
a 600 000 euros para cada esclusa.
También había otro problema costoso por resolver. El río Scheldt tiene una cuenca
arenosa, lo que significa una acumulación masiva de sedimentos en las puertas de
la esclusa. Los ingenieros portuarios idearon un método para usar la cámara que
alberga la puerta de la esclusa como pileta, instalando una compuerta flotante. Las
bombas Flygt se instalan sobre un sistema de guías unido al cajón de aire
comprimido, lo que permite bombear el agua desde la pileta hasta la esclusa.
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La ingeniería de la nueva esclusa es elegante, pero el principal incentivo fue
reducir costos. El nuevo sistema de bombeo cuesta 100 000 euros frente a los 600
000 euros que costaba el antiguo, según las autoridades los 100 000 euros incluye
la instalación, la bomba y las unidades de tuberías, los accesorios mecánicos y el
mantenimiento.
Cada diez años, las puertas de la esclusa se retiran para mantenimiento y
reparación, lo que significa que la cámara de la puerta y la puerta de la esclusa se
instalan en dique seco.
Dado el éxito de la esclusa de Berendrecht, los ingenieros instalarán el nuevo
sistema de bombeo en todos los cajones de aire comprimido actualmente de
reserva, y esperarán que, en un plazo de cinco años, todas las esclusas usen los
nuevos sistemas de bombeo Flygt.
Dado que era la esclusa de mayor tamaño, con la mayor acumulación de
sedimentos, la nueva esclusa de Berendrecht constituyó un campo de pruebas
para los mezcladores flexibles de ITT Flygt.
La puerta de la esclusa tiene 70 metros de largo, 23 metros de alto y 10 metros de
anchura. Sobre tierra seca, la puerta de acero pesa 1 600 toneladas. Una cámara
de aire atraviesa la puerta, reduciendo el peso a no más de 100 toneladas cuando
está dentro del agua, cerrando y abriendo la esclusa.
Esta compuerta es una gran obra de ingeniería que a logrado tener un buen
rendimiento gracias a los nuevos mecanismos que los ingenieros idearon para
ésta, y debido a lo anterior se ha convertido en una de las más importantes
esclusas de Europa haciendo con esto que la economía de Bélgica crezca en los
últimos años y ha puesto al puerto de Amberes como uno de los principales en
dicho continente. (Ver Imagen 2.5)
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Imagen 2.5 Fotografía Satelital Esclusa de Berendrecht
Fuente: Google Earth
2.1.4. Esclusas del río Yangtze
Estas esclusas están ubicadas en la presa de las tres gargantas en China una de
las presas más grandes e importantes del mundo ya que será la encargada de
producir una gran cantidad de energía eléctrica que llevara a China a ponerse
cada vez más como una potencia mundial, según el gobierno Chino la presa será
terminada en el 2009.
La presa de las Tres Gargantas fue propuesta en 1919, pero no fue hasta 1992
cuando se aprobó definitivamente su construcción y será la más grande del
mundo. La anchura de las gargantas varía desde los 300 metros en la parte más
ancha a menos de 100 metros en la zona más estrecha. El nivel del agua varía
hasta 50 metros dependiendo de las estaciones, no podemos olvidar la
estacionalidad de las lluvias en esta región.
La presa se levanta a orillas de la ciudad Yichang, en la provincia de Hubei, en el
centro de China.
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Las esclusas en dicha presa son uno de los principales elementos debido a que
ayudarán en afianzar y mejorar el transporte de embarcaciones por el río Yangtze,
con lo cual el gobierno Chino podrá agilizar el transito de productos y materia
prima en su país. El proyecto de las Tres Gargantas mejorará la navegación fluvial
en el río Yangtze. Los expertos socioeconómicos prevén un crecimiento
progresivo desde la costa al interior gracias a esta mejora de navegabilidad.
Desde la ciudad de Chongqing hasta Yichang en la provincia de Hubei, la barcaza
de remolque aumentará su capacidad de carga de 3.000 a 10.000 toneladas y el
transporte anual de mercancías alcanzará los 50 millones de toneladas.
Las esclusas miden 6,4 kilómetros con una diferencia del nivel de agua de más de
60 metros. La navegación exitosa permitirá que barcos de distintos tonelajes
puedan pasar por las esclusas en un poco más de 2 horas y que las condiciones
fluviales de los cursos medio y superior del más largo río del país experimenten
una notable mejora. (Ver Imagen 2.6)
Imagen 2.6 Fotografía Esclusa del río Yangtze
Fuente: Gobierno de China
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2.1.5. Canal de los Dos Mares
Este canal se encuentra en el sur de Francia y es uno de los más bellos del
mundo, lo integran los canales de Midi, Garona y Gironde, este canal une el
Mediterráneo con el océano Atlántico atravesando la campiña, pueblos, ciudades
importantes como Toulouse o Burdeos, e incluso cruzando por encima de ríos. En
total 575 kilómetros y un total de 114 esclusas algunas de las cuales pueden llegar
a salvar cerca de 6 metros de altura. (Ver Imagen 2.7)
Imagen 2.7 Fotografía del recorrido del Canal de los Dos Mares.
Fuente: Gobierno de Francia
Esta obra de ingeniería civil verdadero patrimonio artístico de Francia data del
siglo XVII, diseñado y ejecutado por Pierre-Paul Riquet en la época de Luis XIV.
La navegación está limitada a una velocidad de 8 kilómetros por hora por lo que
debemos contar con unas 70 horas de singladura, o lo que es lo mismo, cerca de
una semana de recorrido tranquilo por paisajes sorprendentes que incluso
atravesarán algunos túneles de 160 metros de oscuridad, y en los que es
imperativo utilizar la bocina de niebla. (Ver Imagen 2.8)
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Imagen 2.8 Fotografía del Canal
Fuente: Gobierno de Francia
Desde el Mediterráneo parte el canal del Midi en Agde y llega hasta la ciudad de
Toulouse, pasando por Carcassonne. Luego se une con el canal lateral del
Garona que recorre Agen, Burdeos y desemboca en el Atlántico cerca de Royan
en la ciudad de Pauillac.
Atraviesa pueblos verdaderamente magníficos los cuales tienen una belleza
importante y los cuales son ricos en paisajes y atardeceres hermosos, por lo cual
este recorrido es por lo general usado como atractivo turístico nada más. (Ver
imagen 2.9)
Imagen 2.9 Fotografía del Canal
Fuente: Gobierno de Francia
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En Fontet, Buzet, Agen, Valence d’Agen, Moissac o en Montech se encuentran
verdaderos puertos con todas las facilidades y en los cuales se suelen llenar los
tanques de combustible de las embarcaciones.
Durante el recorrido por el canal se encuentran esclusas impresionantes, dobles,
triples, o incluso hay una en 6 etapas la cual hará subir y bajar unos 14 metros de
desnivel de un solo golpe. También en el recorrido se tienen etapas llanas como la
zona del Grand Bief, en la que el canal serpentea durante 54 kilómetros siguiendo
las curvas de nivel del terreno sin subir ni bajar ni un solo metro. (Ver Imagen
2.10)
Imagen 2.10 Fotografía Esclusa del Canal
Fuente: Enciclopedia Encarta
2.1.6. Canal de Göta
Este canal esta ubicado en Suecia, se extiende desde la costa oeste hasta la
costa este de dicho país. Fue construido a principios del siglo XIX, se extiende
desde Gotemburgo, en la costa oeste, junto al río Göta älv y Trollhätte el canal, a
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través de los grandes lagos Vänern y Vättern en paralelo con Motala ström a
Söderköping y en el Mar Báltico.
Este canal fue diseñado por el ingeniero civil Thomas Telford, el cual obtuvo el
permiso del rey de Suecia para empezar a construir el 11 de abril de 1810 y el
canal fue inaugurado oficialmente el 26 de septiembre de 1832. (Ver Imagen 2.11)
Imagen 2.11 Fotografía Esclusa del Canal
Fuente: Enciclopedia Encarta
Construido sólo décadas antes de la llegada del ferrocarril, el canal fue pronto
obsoleto, y nunca actualizado. El canal es un lugar de interés turístico, a veces
llamado Sveriges blå band, el cual es muy importante para la economía de Suecia
debido a que es visitado a lo largo del año, lo cual produce una derrama
económica importante para las zonas por donde pasa el canal, debido al gran
interés de los turistas y aficionados a la navegación por canales. Aunque nunca se
utilizó como medio de transporte para materia prima es una obra de ingeniería
muy novedosa que aun en la actualidad es funcional, al parecer el gobierno de
Suecia dejó al lado el canal con la introducción del ferrocarril a su país, pero esta
obra de arte no se puede desechar nada más así, por lo cual empezó a manejarse
como centro turístico, volviendo a funcionar todas sus esclusas.
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Las esclusas se encuentran en dos niveles diferentes. En la parte inferior del
canal, junto al lago, hay un grupo de cinco, más arriba hay una pequeña laguna, y
por último, otras dos esclusas en otro nivel superior, éstas son solo algunas de las
esclusas que integran este canal, ya que a lo largo de el se pueden encontrar mas
de 20 esclusas diferentes. (Ver Imagen 2.12)
Imagen 2.12 Fotografía Esclusas del Canal en su parte más cercana al lago
Fuente: Gobierno de Suecia
Por lo antes mencionado éste es uno de los ejemplos importantes de esclusas a lo
largo de la historia y como es que éstas han influido en la historia y el paisaje del
país donde fueron construidas.
2.1.7. Esclusas de Afsluitdijk
Estas esclusas se encuentran en Holanda y forman parte del dique de Afsluitdijk
que es una estructura súper importante en dicho país ya que es el encargado de
aliviar el exceso de agua del río, pero también cumpliendo la función de impedir el
paso a las altas mareas del océano, y claro sin la ayuda de las esclusas este
dique no tendría esa función debido a que las esclusas son las encargadas de
administrar la entrada y la salida de agua en este dique.
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El dique empezó a construirse en enero de 1927. Las obras se empezaron en
ambas orillas y aproximadamente en el centro se construyó una isla de trabajo.
Más de cincuenta años después, el 28 de mayo de 1982, se tapó el último tramo
del dique bajo los fuertes bocinazos de los barcos. No obstante, todavía se tardó
un tiempo antes de que fuera accesible para el tráfico. El 23 de enero de 1983 el
dique fue abierto para un tráfico limitado. La carretera constaba de una calzada y
un carril para bicicletas. También había espacio para una línea de ferrocarril, pero
nunca llegó a construirse. (Ver imagen 2.13)
Imagen 2.13 Fotografía Dique de Afsluitdijk
Fuente: Gobierno de Holanda
La construcción de esta obra hidráulica se debió a que el agua del océano
inundaba las poblaciones y campos cercanos a esta zona, cuando la marea
estaba alta, por lo cual al gobierno y la población de aquel momento no les importo
que la construcción saliera a un costo de mas de 55 millones de euros, teniendo
unas dimensiones de 32 kilómetros de longitud y aproximadamente 90 metros de
ancho. (Ver Imagen 2.14)
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Imagen 2.14 Fotografía Satelital Dique de Afsluitdijk
Fuente: Google Earth
Cuatro puentes giratorios permiten el paso al tráfico marítimo. El Gran Dique
ayuda a regular el nivel del agua de los Países Bajos. Las esclusas de evacuación
son imprescindibles no sólo para combatir excesos de agua, sino también para
controlar la población piscícola. (Ver Imagen 2.15)
Imagen 2.15 Fotografía Esclusas del Dique de Afsluitdijk
Fuente: Gobierno de Holanda
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La importancia de estas esclusas que son parte del dique, es que ellas son las
encargadas del desalojo y entrada de las aguas.
2.1.8. Esclusas de Kembs
Las esclusas de Kembs se encuentran en el Gran Canal de Alsacia, el cual toma
el agua del río Rin a la altura de Weil am Rhein (Alemania) y Village Neuf
(Francia), la encargada de mandar el agua a dicho canal es la presa que se
encuentra en dicho lugar.
Al término de la Primera Guerra Mundial, la Paz de Versalles otorgó a Francia el
derecho de explotar los recursos del Rin. Entonces, a partir de 1920 se construyó
un inmenso canal, el Gran Canal de Alsacia, destinado a la circulación de barcos y
la explotación de la electricidad. Dicho canal tiene una longitud de 52 kilómetros y
una anchura media de unos 200 metros.
El Canal tuvo una prehistoria interesante. Desde la Edad Media, las poblaciones
del entorno fueron tratando de hacer canalizaciones para evitar inundaciones y
ampliar zonas de cultivo, facilitando además la navegabilidad del río.
A la altura de Kembs Loechlé aparecen las grandes esclusas del río, que permiten
superar los desniveles que va registrando el terreno en su descenso hacia el mar.
Es ameno contemplar el paso de las embarcaciones y el funcionamiento de las
grandes compuertas. La construcción de las esclusas de Kembs se desarrolló
entre 1928 y 1932. La gran esclusa es de aquella época, aunque ampliada
posteriormente. Permite salvar un desnivel de 12 metros, con lo que la
navegabilidad se asegura hasta Basilea, Suiza. Productos químicos e industriales
de todo tipo van en barcos hacia el norte, desde aquí, atravesando primero los
territorios de Alsacia y Bade, luego adentrándose por la región industrial del Ruhr y
más tarde por el entorno de los Países Bajos. (Ver imagen 2.16)
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Imagen 2.16 Fotografía Esclusa de Kembs
Fuente: Enciclopedia Encarta
Las obras de mantenimiento hecho en la década de los noventa, para ampliar el
tonelaje de las embarcaciones que circulan por el río, fueron financiadas en su
mayor parte por Suiza, dado que por aquí pasa el 15 por ciento de su comercio
exterior, y por aquí llega el 40 por ciento de los hidrocarburos que consume el
país. Ésta navegabilidad del Rin permite en realidad a Suiza tener una salida al
mar. (Ver Imagen 2.17)
Imagen 2.17 Fotografía Canal de Kembs
Fuente: Enciclopedia Encarta
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2.1.9. El Canal Saint Martin
El Canal Saint Martin es uno de los elementos que une el Canal del Ourcq al
Sena. Empieza en la Plaza de Stalingrad y se acaba en Bastille. Francia es el país
en el cual se encuentra, es un canal el cual tiene una finalidad meramente
turística, debido a las zonas que atraviesa y los paisajes coloridos que se pueden
disfrutar en las orillas del mismo. Su construcción tardó más de 20 años y fue
abierto en 1825 después de que Napoleón había ordenado la vía fluvial artificial
excavada en París con el suministro de agua, sin embargo en el período de 1960,
el tráfico se había reducido al mínimo, debido a la construcción de carreteras las
cuales agilizaron más el transporte de las mercancías, lo que originó que el canal
perdiera importancia. (Ver Imagen 2.18)
Imagen 2.18 Fotografía Canal de Saint Martin en el año 1984
Fuente: Gobierno de Francia
El canal mide 4.5 kilómetros. Camina al aire libre en el distrito 10 y luego se pierde
en un largo túnel de más de 2 kilómetros que se acaba en el Puerto del Arsenal. El
recorrido necesita nueve esclusas para un desnivel de 25 metros. Cuenta con dos
puentes giratorios y varias pasarelas. (Ver Imagen 2.19)
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Imagen 2.19 Fotografía Esclusas del Canal de Saint Martin
Fuente: Gobierno de Francia
La forma curva de las pasarelas metálicas es uno de los elementos que da un
encanto especial al canal Saint Martin. (Ver Imagen 2.20)
Imagen 2.20 Fotografía Pasarelas Metálicas del Canal de Saint Martin
Fuente: Enciclopedia Encarta
Entre los paseantes, algunos pasan horas contemplando el mecanismo de las
esclusas, las cuales no dejan de maravillar a los turistas y pueblerinos que visitan
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este canal. Las esclusas que integran este canal a pesar de no ser de gran
tamaño, tienen un funcionamiento muy importante para el flujo de las
embarcaciones que transitan por el canal, es por esto que son muy importantes
para Paris y su canal.
2.2. Uso del Prototipo y la Ingeniería
Dentro de la ingeniería es muy importante el uso de prototipos, ya que con ellos
los ingenieros y encargados de los proyectos de construcción, pueden
experimentar y probar como es que estos se comportarían en la realidad si
estuvieran sujetos a distintos fenómenos, para que cuando la obra ya esté
terminada pueda resistir y comportarse de una manera optima en cuanto a su
funcionamiento y rendimiento, tanto en condiciones normales o críticas, haciendo
con ello que dicha construcción cumpla con los requerimientos para los que fue
diseñada. En la actualidad la mayor parte de las obras de ingeniería las cuales se
van a construir, primero se construyen en prototipos a escala, debido a que en
ellos se experimentará y se harán pruebas para ver si en la vida real las
construcciones podrán resistir los diferentes fenómenos que se pudieran
presentar, dando con ello menos posibilidades de colapso o fallo de las
estructuras construidas.
Este prototipo dentro de la ingeniería es muy importante, debido a que en él se
experimentaran los diferentes fenómenos que se pueden llegar a presentar en el
canal real, provocando con ello que se tomen las medidas y especificaciones
necesarias para llevar a la realidad el proyecto. Pero la importancia de este
prototipo radica en que los alumnos de la carrera de Ingeniería Civil podrán llevar
a cabo en él prácticas donde ellos observarán los diferentes fenómenos que se
presentan en este tipo de obra civil; además de poder entender el funcionamiento
de los canales a base de esclusas y cuales son algunos de los principios que se
utilizan para que funcionen. Asimismo los alumnos podrán reforzar los
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DESARROLLO DE PROTOTIPO DEL FUNCIONAMIENTO DE ESCLUSAS PARA EL
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conocimientos obtenidos en las diferentes experiencias educativas de hidráulicas
que cursaran en su formación como ingenieros.
2.3. Importancia
El prototipo tendrá un uso muy importante dentro del laboratorio de Hidráulica,
debido a que los estudiantes y alumnos de la facultad de Ingeniería Civil, podrán
desarrollar en él varias prácticas, la cuales les servirán para aprender más acerca
de los fenómenos hidráulicos, que pueden presentarse en un canal a base de
esclusas, además de esto ellos podrán ver los diferentes principios que se
presentan en el canal, haciendo con esto que la importancia del prototipo sea vital
para el laboratorio de Hidráulica. Con esto, los alumnos podrán obtener un
conocimiento práctico de los diferentes fenómenos y principios hidráulicos, los
cuales son explicados en clase por los diferentes maestros asignados de dar las
materias de la rama hidráulica, haciendo con esto que los alumnos tengan una
formación como ingenieros más completa, reforzando su conocimiento teórico en
clase con el práctico en el laboratorio. Asimismo se inculcará en los alumnos el
interés por crear e inventar más nuevos prototipos como éste, inculcando con esto
en los alumnos cada vez más el interés por hacer investigación y con ello ir
haciendo que el país crezca cada día a la altura de las naciones que tienen más
avances científicos.
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3. Capítulo III: Proceso Constructivo del Prototipo
3.1. Introducción
Este capítulo esta enfocado principalmente a lo que es el proceso constructivo del
prototipo. En el se describirá cada uno de los pasos o procedimientos a los que
estuvo sujeto el canal en su etapa de construcción, también se describirá
detalladamente como se fueron eligiendo los materiales y de igual forma se
hablará sobre los problemas e inconvenientes a la hora de la construcción del
canal y como es que se le dio solución a estos inconvenientes.
Además se podrán observar la mayoría de los materiales que conforman el canal y
algunos de los lugares donde fueron comprados o diseñados.
3.2. Proceso Constructivo del Prototipo
3.2.1. Toma de Decisiones
Una de las primeras decisiones que se tomaron en la etapa del proceso
constructivo fue la elección de un sistema de funcionamiento adecuado y que se
adaptará al canal de manera adecuada, y que su construcción fuera rápida para
ahorrar tiempo y económica.
En un principio se tenía la idea de hacer el mecanismo de apertura de las
compuertas a base de pistones hidráulicos, los cuales se encargarían de abrir y
cerrar las compuertas cuando se necesitará, pero esta opción resulto ser muy
complicada y a la vez cara, debido a que se tenían que construir unos pistones de
tamaño pequeño y de los cuales no tenía la certeza si en realidad iban a poder
mover las compuertas de manera adecuada, además la construcción de ellos no la
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INGENIERIA CIVIL
hacían aquí en Jalapa, lo cual elevaba los precios de manera considerable y a la
vez se perdería tiempo el cual se necesita.
Otra de las opciones que se tenían en un principio era hacer que las compuertas
se abrieran por medio de un sistema mecánico a base de engranes los cuales se
accionarían a través de una palanca que en su momento abriría o cerraría, pero
esto se vio afectado cuando se trató de conseguir los engranes, ya que se tenían
que mandar a pedir directamente a la fábrica, pues no había en existencia en ese
momento del tamaño y las medidas que se requerían y al mandarlos a pedir a la
fábrica el precio aumentaría, debido a que el fabricante haría los engranes
exclusivamente para el canal y no como cualquier otra pieza que se hace en
producción en serie.
Sin embargo al final se encontró una solución más viable, rápida, confiable y
barata, la cual consistió en hacer el mecanismos de abertura de las compuertas a
base de cadenas de bicicletas y piñones de bicicletas de 16 dientes unidos a
flechas industriales de 5/8 de pulgada en su diámetro, logrando así el objetivo
deseado en un principio (Imagen 3.1a,b,c).
a) Piñón de 16 dientes
b) Cadena
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TRANSPORTE MARITIMO EN GRANDES ALTURAS
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c) Flecha industrial
Imagen 3.1 Materiales del mecanismo de abertura de las compuertas
3.2.2. Construcción del Mecanismo de Apertura y Cerrado de las
Compuertas
Estas piezas fueron llevadas al tornero para que éste las soldara y adecuara de
acuerdo al mecanismo que ya tenía diseñado, obteniendo con esto las piezas
claves de nuestros mecanismo de abertura y cerrado de las compuertas del canal,
pero para que éstas pudieran servir para el mecanismo se tuvieron que modificar
en algunos aspectos, unas de las primeras cosas que se hicieron a los piñones fue
quitarles el giro que tenían y dejarlos fijos, por que si no el mecanismo no
funcionaría y ésto se logró poniéndole unos pequeños puntos de soldadura,
después de esto se cortaron las flechas en tramos de 30, 35 y 8cm, para empezar
a unirlos con los piñones, una vez cortadas las flechas se tuvieron que
encasquillar para poder unirlas a los piñones, debido a que el diámetro era menor
al agujero del piñón, ya con esto se pudieron formar las palancas, los ejes de las
compuertas y los piñones de cambio de dirección esto para que las puertas de la
compuerta abran en sentidos opuestos (Imagen 3.2).
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DESARROLLO DE PROTOTIPO DEL FUNCIONAMIENTO DE ESCLUSAS PARA EL
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Imagen 3.2 Elementos que conforman el mecanismo para abrir las compuertas.
Las medidas de los elementos que conforman el mecanismo para abrir las
compuertas son muy importantes es por ello que se decidió anexar las medidas en
la siguiente figura 3.1:
Figura 3.1 Figuras de los detalles de las paredes y fondo del canal (Unidades cm).
Fuente: Elaboración Propia
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DESARROLLO DE PROTOTIPO DEL FUNCIONAMIENTO DE ESCLUSAS PARA EL
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3.2.3. Elección del Material para la Construcción del Canal
Otro de los primeros pasos en la elaboración del canal, fue la búsqueda del
material adecuado para la construcción del canal, de tres materiales se escogió el
que mejor se adaptara a los requerimientos del canal, el primero de ellos fue el
acrílico, pero al ver que íbamos a trabajar con elementos metálicos y que el canal
estaba un poco grande se llegó a la siguiente conclusión: este material no
resistiría el volumen de agua que nosotros requeríamos y por otra parte al manejar
elementos metálicos éste podría llegar a fallar incluso antes que algún tipo de
cristal. El otro tipo de material que también se rechazo fue el acero, ya que este
era difícil de obtener en las medidas que se necesitaban y al no tener la certeza de
que al soldarse fuera totalmente hermético. Así llegamos al material por el cual se
optó el vidrio o cristal, se escogió este material por que es el que más se utiliza en
el mercado para la construcción de peceras, haciendo con ello que sea fácil de
obtener, con las medidas necesarias sin ningún problema, que logre la
hermeticidad deseada, obtener a un precio relativamente barato y en el menor
tiempo posible en su elaboración.
Al tener ya el material elegido se empezó a cotizar los precios que había en el
mercado en ese momento y se eligió el más accesible, pero nunca dejando afuera
las necesidades que debía de cumplir, es por las razones anteriores que se eligió
un grosor del cristal de 6mm, el cual estará reforzado por marcos de aluminio para
aguantar adecuadamente la presión del agua.
3.2.4. Diseño del Canal
Después de elegir los materiales adecuados para la elaboración del canal hubo
que hacer las perforaciones adecuadas al Canal, para poder introducir los ejes de
las compuertas y otros para poder llenar y vaciar la segunda parte del Canal, por
lo que se llevo a perforar los cristales que conformaban el fondo y las paredes del
canal, en la parte del fondo del Canal se le hicieron 4 perforaciones al cristal a
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TRANSPORTE MARITIMO EN GRANDES ALTURAS
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cada 30cm hacia la parte central del canal de 13mm de diámetro y en las paredes
se hicieron 2 orificios uno en cada pared, a 8cm de altura en la parte central, de
25mm de diámetro y después de esto se llevo al acuario donde se procedió a
pegar y armar la pecera (Imagen 3.3 y Figura 3.2).
Vidrio del fondo del canal
Vidrios de las paredes laterales del
canal
Figura 3.2 Detalles de las paredes del canal (Unidades cm).
Fuente: Elaboración Propia
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Imagen 3.3 Foto del canal ya terminado.
3.2.5. Corrección de Diámetro
Después de esto se llevaron al tornero las piezas que conforman los ejes de las
compuertas para que éste se encargue de rebajar el diámetro a 13mm ya que la
flecha tiene un diámetro de 5/8 de pulgada, que es un poco más 16mm y no
entrarían en las perforaciones que se le hicieron al cristal así que se tuvo que
reducir su diámetro (Imagen 3.4).
Imagen 3.4 Foto y detalles del eje (Unidades cm).
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3.2.6. Construcción de la Base del Prototipo
Otra parte muy importante fue la elaboración de la base, debido a que ésta sería la
que soportaría todo el peso y ayudaría para cuando se tuviera que mover de un
lado a otro, haciendo con ello que fuera más fácil de manejar, tanto dentro del
laboratorio de hidráulica como fuera de éste, por lo que se decidió que la base
estuviera hecha de madera de pino, triplay y cimbra play, debido a que éstos
materiales se adaptaban perfectamente a los requerimientos y necesidades en
ese momento, la base tiene las siguientes medidas 105cm de largo por 100cm de
ancho y con un grosor de 1.8cm (Imagen 3.5).
Imagen 3.5 Foto de la base de madera
3.2.7. Recipientes para Contener el Agua del Canal
Después de esto se compraron los 2 recipientes encargados de contener el agua
la cual serviría para llenar o vaciar la segunda parte del canal, éstos se compraron
en una tienda de utensilios para la cocina (Imagen 3.6).
70
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TRANSPORTE MARITIMO EN GRANDES ALTURAS
INGENIERIA CIVIL
Imagen 3.6 Foto de los recipientes encargados de contener el agua
3.2.8. Elementos que Integran el Mecanismo de Llenado y
Vaciado del Canal
También es importante mencionar las partes que conforman el mecanismo de
llenado y vaciado del canal, para lograr seleccionar todas estas partes se tuvo,
que hacer un análisis minucioso de los materiales que podrían funcionar de
manera más optima para con ello aumentar la eficiencia y también lograr que la
vida útil del prototipo no sea muy corta. Por las razones ya mencionadas con
anterioridad llegamos a la conclusión de que los materiales y partes más aptos
para este mecanismo de llenado y vaciado, son los siguientes:
•
Manguera de hidráulica de 1 pulgada de diámetro (Imagen 3.7)
•
Codos de cobre de 1 pulgada de diámetro (Imagen 3.8)
•
Válvula de globo de cierre rápido de 1 pulgada de diámetro (Imagen 3.9)
•
Silicón para unir el mecanismo (Imagen 3.10)
71
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Imagen 3.7 Foto de la manguera de 1 pulgada de diámetro
Imagen 3.8 Foto de los codos de 1 pulgada de diámetro
Imagen 3.9 Foto de la válvula de globo de cierre rápido de 1 pulgada de diámetro
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Imagen 3.10 Foto del tubo de silicón para unir el mecanismo.
Una vez ya elegidos los materia se empezó la elaboración del mecanismo (Imagen
3.11), pero se tuvo un problema a la hora de manejar la segunda válvula de globo,
debido a que ésta iría en la parte de adentro del triplay por lo que se le tuvo que
hacer un vástago de 30cm para que esta pudiera ser abierta y cerrada desde la
parte de arriba del canal (Imagen 3.12).
Imagen 3.11 Foto del mecanismo de llenado y vaciado.
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Imagen 3.12 Foto de la válvula de globo con vástago de 30cm.
3.2.9. Elaboración de las Compuertas
Otro punto importante en la elaboración del prototipo fue la construcción de las
compuertas, debido a que éstas deben de ser herméticas, es decir, que no
permitan el paso del agua o en caso de permitirlo que sea muy poca agua la que
logre entrar, es por ello que la construcción de ellas resultó ser muy difícil, pero
después de haber hecho los ensayos pertinentes se llegó a que las compuertas
debían estar hechas de placa de acero cuyas dimensiones son: ancho de 9cm,
altura de 20cm y espesor de 3mm (Imagen 3.13). Pero no solo debían ir las placas
solas ya que estas permitirían el paso del agua es por ello que se les agregó en el
contorno unas pequeñas tiras de plástico para reducir el paso del agua a esa parte
del canal (Imagen 3.14).
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DESARROLLO DE PROTOTIPO DEL FUNCIONAMIENTO DE ESCLUSAS PARA EL
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Imagen 3.13 Foto de las placas que formaran las compuertas
Imagen 3.14 Foto del plástico que ira en el contorno de la compuerta
3.2.10.
Solución de Fugas en el Canal
Por último se tuvo que solucionar el problema de las fugas en el fondo, ya que en
esta parte se pondrían los ejes de las compuertas y al llenar de agua se
presentaban fugas en estas partes es por ello que se tuvo que idear un
mecanismo lo suficientemente resistente para que el uso diario de las compuertas
no lo debilitara y evitar así que en poco tiempo se presentaran otra vez estas
fugas, el mecanismo más viable que encontré fue el colocar una serie de plásticos
cortados a la medida del diámetro de los orificios y pegados al vidrio del canal con
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DESARROLLO DE PROTOTIPO DEL FUNCIONAMIENTO DE ESCLUSAS PARA EL
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silicón, los cuales a la hora de meter el eje de las compuertas a estos orificios
sellarían de manera inmediata haciendo con ello que el agua no se escapara más
por estos lugares (Imagen 3.15). Este mecanismo se probó por más de 2 hrs. para
comprobar si en realidad no existían fugas, y al ver que no se procedió a seguir
con la construcción del prototipo (Imagen 3.16).
Imagen 3.15 Foto del mecanismo encargado de evitar las fugas en el fondo del canal
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DESARROLLO DE PROTOTIPO DEL FUNCIONAMIENTO DE ESCLUSAS PARA EL
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Imagen 3.16 Foto del canal ya con el mecanismo encargado de evitar las fugas del fondo.
3.2.11.
Prototipo Terminado
El prototipo ya terminado se muestra en la Imagen 3.17, a pesar de todos los
inconvenientes que se presentaron la culminación del prototipo en el tiempo
deseado fue buena.
Imagen 3.17 Foto del canal ya terminado.
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DESARROLLO DE PROTOTIPO DEL FUNCIONAMIENTO DE ESCLUSAS PARA EL
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3.3. Planos
También es importante tener los planos del prototipo que se va a construir para
facilitar el proceso de construcción es por ello que se anexan en este capítulo.
3.3.1. Vista en Planta del Prototipo
Depósito
Compuertas
Manivelas
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3.3.2. Corte en Y del Prototipo
Depósito
Llave de Globo
Manivela
Compuertas
Depósito
3.3.3. Corte en X del Prototipo
Depósito
Llave de Globo
Depósito
Orificio de Llenado
Compuerta
Compuerta
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DESARROLLO DE PROTOTIPO DEL FUNCIONAMIENTO DE ESCLUSAS PARA EL
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3.3.4. Vista en Isométrico del Prototipo
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4. Capítulo IV: Prácticas
En el siguiente capítulo se abordarán temas referentes a la hidráulica, los cuales
ayudaran a los alumnos a complementar la teoría que aprenden en la clase, con la
práctica referente a dicha teoría que se podrá tener en el laboratorio de hidráulica
al trabajar con el prototipo del canal a base de esclusas que se diseñó.
Los temas que se abordarán en las prácticas serán de mucha ayuda para los
estudiantes, debido a que las prácticas son muy sencillas y fáciles, haciendo con
ello que los estudiantes que no lograron entender algún principio o problema en la
clase, puedan lograr entenderlo mediante la práctica en el canal.
Este capítulo de prácticas no sólo ayudará a los estudiantes, si no también
ayudará a los maestros encargados de las diferentes asignaturas de hidráulica,
debido a que ellos podrán explicar mejor la clase mediante ejemplos desarrollados
en el laboratorio por medio del prototipo.
El siguiente manual de prácticas resultara de fácil entendimiento para los alumnos
por lo cual el maestro podrá estar seguro que los alumnos lograrán comprender el
tema de manera adecuada y correcta.
Es por las razones anteriores que este manual es de suma importancia para esta
tesis, debido a que sin él no se alcanzaría el objetivo y la elaboración del prototipo
sería en vano.
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DESARROLLO DE PROTOTIPO DEL FUNCIONAMIENTO DE ESCLUSAS PARA EL
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4.1. Práctica 1: Cálculo de Empuje
CALCULO DE EMPUJE (Principio de Arquímedes)
Objetivo.
El alumno comprenderá y asimilará los aspectos y parámetros que rigen el
principio de Arquímedes, además de que tendrá un concepto más claro debido a
que se demostrará como funciona este principio en la vida real, en el caso
específico de cómo un barco se mantiene a flote al cruzar un canal debido a este
principio.
Materiales.
-
Canal prototipo
-
Agua
-
Barco
-
Pedazo de madera
-
Calculadora
-
Libreta
-
Lápiz
Investigación Bibliográfica
Los alumnos realizaran la investigación pertinente.
Procedimiento
1.- Se llena el canal parcial o totalmente de agua
2.- Se procede a colocar dentro del prototipo el pedazo de madera
3.- Se observa si el pedazo de madera flota o no
4.- Se procede a retirar el pedazo de madera del agua
5.- Se demuestra con la teoría del principio de Arquímedes el porqué flotó o no el
pedazo de madera
6.- Se procede a hacer lo mismo con los otros objetos
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DESARROLLO DE PROTOTIPO DEL FUNCIONAMIENTO DE ESCLUSAS PARA EL
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7.- Se observa cómo se comportan los diferentes objetos al colocarlos en el agua
del canal
8.- Se procede a resolver los problemas referentes al principio de Arquímedes
Problemas
1.- El peso específico de un iceberg es de 915 kg/m³ y el del agua del océano es
de 1028 kg/m³; si de la superficie libre del océano emerge un volumen del iceberg
de 30 000 m³, ¿cuál es el volumen total?
2.- Una pieza de madera ( γ = 0.651 ton/m³) se utiliza para soportar flotadores en
el agua y realizar estudios de corrientes; tiene sección cuadrada 7.5cm de lado y
1.50m de longitud. ¿Cuántos kilogramos de plomo (peso específico 11200 kg/m³)
deben unirse a uno de los extremos de la pieza para que flote verticalmente con
30cm fuera del agua?
3.- ¿Cuántos m³ de concreto ( γ = 2.4 ton/m³) deben cargarse sobre un bloque de
madera ( γ = 0.6 ton/m³) de 10 x 1 x 1.5m para que se hunda en el agua?
Esquema
Imágenes de los objetos estudiados dentro del canal
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Conclusiones
El pedazo de madera flotó debido a que el peso del volumen de agua desalojado
por éste al estar completamente sumergido es mayor al peso del objeto al
encontrarse fuera del agua, es decir el pedazo de madera es menos pesado que
el volumen de agua desalojado por éste al estar sumergido.
El barco flotó también debido a que el interior de éste es hueco lo cual hace que el
barco tenga un peso menor al volumen de agua que éste desaloja, además de
reunir una serie de requisitos importantes los cuales deben tener todas las
embarcaciones, ya que sin ellos es casi seguro que se hundirían.
Bibliografía
La que el alumno utilice en su investigación.
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DESARROLLO DE PROTOTIPO DEL FUNCIONAMIENTO DE ESCLUSAS PARA EL
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4.2. Práctica 2: Funcionamiento de las Compuertas
FUNCIONAMIENTO DE LAS COMPUERTAS (Tipos de compuertas)
Objetivo
El alumno aprenderá el funcionamiento específico de un tipo de compuerta,
además de identificar todos los demás tipos de compuertas existentes en el
mercado, las partes que las constituyen así como las diferentes funciones que
cumplen cada una de ellas y en que situaciones pueden llegar a ser utilizadas.
Materiales
-
Canal prototipo
-
Agua
-
Libreta
-
Lápiz
Investigación Bibliográfica
Los alumnos realizaran la investigación pertinente.
Procedimiento
1.- Se llena la primera parte del canal de agua hasta su capacidad máxima.
2.- Se llena la segunda parte del canal hasta igualar el nivel de agua con la
primera parte.
3.- Se abre la primera compuerta del canal y se observa su funcionamiento
4.- Después se vuelve a cerrar.
5.- Se vacía la segunda parte del canal hasta llegar al mismo nivel de agua que la
tercera parte del canal, ésto para comprender mejor el funcionamiento de las
compuertas cuando el nivel de agua es más bajo.
6.- Se abre la segunda compuerta y se observa el funcionamiento de ésta
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DESARROLLO DE PROTOTIPO DEL FUNCIONAMIENTO DE ESCLUSAS PARA EL
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7.- Se cierra la compuerta y se observa el funcionamiento.
Esquema
Imagen del canal cuando la compuerta está reteniendo el agua.
Conclusiones
Se pudo observar que el funcionamiento de este tipo de compuertas es muy
bueno debido a que logran retener el agua con un mínimo de fugas lo cual no
afecta porque es tan pequeña esta cantidad de agua que el nivel del siguiente
tramo del canal no se incrementa mucho.
También se observó que este tipo de compuertas consta de un mecanismo fácil y
muy funcional a la hora de abrir o cerrarlas, por lo que es viable utilizarlas para
retener grandes cantidades de agua en este tipo de obras tan importantes como
son los canales.
Bibliografía
La que el alumno utilice en su investigación.
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DESARROLLO DE PROTOTIPO DEL FUNCIONAMIENTO DE ESCLUSAS PARA EL
TRANSPORTE MARITIMO EN GRANDES ALTURAS
INGENIERIA CIVIL
4.3. Práctica 3: Paso de un Barco por Esclusas para
Descender de Nivel
PASO DE UN BARCO POR ESCLUSAS PARA DESCENDER DE NIVEL
Objetivo
El alumno aprenderá cuales son los diferentes procesos que se llevan a cabo
cuando se requiere descender una embarcación para que esta logre pasar de un
nivel de agua alto a uno bajo, logrando con esto que el barco llegue a lugares
donde seria casi imposible que llegara sin mecanismos como las esclusas.
Materiales
-
Canal prototipo
-
Agua
-
Libreta
-
Lápiz
-
Barco a escala
Investigación Bibliográfica
Los alumnos realizaran la investigación pertinente.
Procedimiento
1.- Se llena la primera parte del canal de agua hasta su capacidad máxima
2.- Se procede a colocar el barco en la primera parte del canal el canal
3.- Se llena la segunda parte del canal hasta igualar el nivel de agua con la
primera parte.
4.- Se abre la primera compuerta del canal para permitir el paso del barco
5.- El barco pasa a la segunda parte del canal.
6.- Se vacía la segunda parte del canal hasta llegar al mismo nivel de agua que la
tercera parte del canal.
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DESARROLLO DE PROTOTIPO DEL FUNCIONAMIENTO DE ESCLUSAS PARA EL
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INGENIERIA CIVIL
7.- Se abre la segunda compuerta
8.- El barco pasa a la tercera parte del canal
Esquema
Estas imágenes muestran el barco en su paso por el prototipo hacia un nivel de agua más
bajo.
Conclusiones
En esta práctica se logra apreciar cómo es que funcionan los canales con este tipo
de compuertas y la importancia que tienen éstas en él, debido a que son
fundamentales para provocar los desniveles de agua en el canal, haciendo con
esto que el barco suba y baje de nivel de una manera fácil y hasta cierto modo
fácil.
Bibliografía
La que el alumno utilice en su investigación.
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DESARROLLO DE PROTOTIPO DEL FUNCIONAMIENTO DE ESCLUSAS PARA EL
TRANSPORTE MARITIMO EN GRANDES ALTURAS
INGENIERIA CIVIL
4.4. Práctica 4: Paso de un Barco por Esclusas para Subir de
Nivel
PASO DE UN BARCO POR ESCLUSAS PARA SUBIR DE NIVEL
Objetivo
El alumno aprenderá cuales son los diferentes procesos que se llevan acabo
cuando se requiere elevar una embarcación para que ésta logre pasar de un nivel
de agua bajo a uno alto, logrando con ésto que el barco llegue a lugares donde
seria casi imposible que llegar.
Materiales
-
Canal prototipo
-
Agua
-
Libreta
-
Lápiz
-
Barco a escala
Investigación Bibliográfica
Los alumnos realizaran la investigación pertinente.
Procedimiento
1.- Se llena la primera y segunda parte del canal, hasta su capacidad máxima
2.- Se llena la tercera parte del canal a un nivel de 8cm aproximadamente.
3.- Se procede a colocar el barco en la tercera parte del canal donde el nivel de
agua es bajo
4.- Se vacía la segunda parte del canal hasta igualar el nivel de agua con la
tercera parte.
4.- Se abren la segunda compuerta del canal para permitir el paso del barco
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DESARROLLO DE PROTOTIPO DEL FUNCIONAMIENTO DE ESCLUSAS PARA EL
TRANSPORTE MARITIMO EN GRANDES ALTURAS
INGENIERIA CIVIL
5.- El barco pasa de la tercera parte a la segunda parte del canal.
6.- Se llena la segunda parte del canal hasta llegar al mismo nivel de agua que la
primera parte del canal.
7.- Se abre la primera compuerta
8.- El barco pasa a la primera parte del canal
Esquema
Estas imágenes muestran el barco en su paso por el prototipo hacia un nivel de agua más alto.
Conclusiones
Una de las conclusiones que se obtuvo fue que es más fácil pasar de un nivel de
agua bajo a uno alto debido a que es más rápido el llenado de la parte central del
canal que el vaciado de esta, sin embargo el tiempo que existe de diferencia entre
estas dos es muy pequeño, lo que no hace que el paso del barco por el canal no
sea muy tardado.
Otro punto importante en que se concluyó es que si no se tiene cuidado con la
dirección del barco y su velocidad a la hora del paso por las esclusas, este puede
llegar a tener complicaciones ocasionando serios daños en el canal.
Bibliografía
La que el alumno utilice en su investigación.
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DESARROLLO DE PROTOTIPO DEL FUNCIONAMIENTO DE ESCLUSAS PARA EL
TRANSPORTE MARITIMO EN GRANDES ALTURAS
INGENIERIA CIVIL
4.5. Práctica 5: Principio de Flotación en Barcos
PRINCIPIO DE FLOTACION EN BARCOS
Objetivo
El estudiante aprenderá como el principio de Arquímedes es fundamental en la
flotación de los barcos y como es que un barco se diseña para que este no se
hunda, al igual que aprenderá cuales son las partes de un barco y cual es la
historia de los barcos, hasta hoy en día.
Materiales
-
Canal prototipo
-
Agua
-
Libreta
-
Lápiz
-
Barco a escala
Investigación Bibliográfica
Los alumnos realizaran la investigación pertinente.
Procedimiento
1.- Se llena el canal de agua hasta su capacidad máxima
2.- Se procede a colocar el barco en el canal
3.- Se observa si el barco flota sobre el agua
4.- Se demuestra mediante el principio de Arquímedes porqué el barco flota
5.- Se abren las compuertas del canal para permitir el paso del barco
6.- El barco a traviesa el canal en el sentido longitudinal
7.- Se retira el barco del canal
8.- Se procede a resolver el cuestionario acerca de los barcos.
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Cuestionario
1.- ¿De la definición de barco o buque?
2.- ¿Mencione las características que debe cumplir un barco bien construido?
3.- ¿Escriba la nomenclatura de un barco o buque?
4.- ¿Escriba los 6 movimientos de una embarcación?
5.- ¿Qué es el disco de Plimsoll?
6.- ¿Explicar las dimensiones y letras del disco de Plimsoll y explicar el significado
de cada letra?
7.- ¿Escribir y explicar los tipos de desplazamientos que puede tener un barco?
8.- ¿Menciona la clasificación de los barcos por su tamaño?
9.- ¿Qué es el calado de un barco o buque?
10.- ¿Qué es la eslora de un barco o buque?
Esquema
Se observa la pequeña embarcación que pasa por el canal demostrando con ello el principio de
flotabilidad de las embarcaciones
Conclusiones
El principio de flotación de los barcos se comprobó al mantenerse a flote el barco
utilizado y mediante la teoría del principio de Arquímedes se comprobó por que el
barco se mantuvo a flote. Otro de los puntos importantes que se concluyeron fue
que el desnivel de agua a la hora de apertura de las compuertas debe estar casi
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DESARROLLO DE PROTOTIPO DEL FUNCIONAMIENTO DE ESCLUSAS PARA EL
TRANSPORTE MARITIMO EN GRANDES ALTURAS
INGENIERIA CIVIL
igual en las dos secciones del canal por las cuales se dispone a pasar el barco,
sino éste perdería el control originando con esto una posible colisión con las
paredes del canal e incluso con las mismas compuertas.
Bibliografía
La que el alumno utilice en su investigación.
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DESARROLLO DE PROTOTIPO DEL FUNCIONAMIENTO DE ESCLUSAS PARA EL
TRANSPORTE MARITIMO EN GRANDES ALTURAS
INGENIERIA CIVIL
Conclusiones
El funcionamiento del prototipo fue el deseado logrando realizar en el las
diferentes prácticas para las cuales estaba diseñado, logrando con ello el objetivo
de este proyecto, debido a que al mostrar un funcionamiento óptimo éste podrá
servir a los alumnos como guía en su formación como futuros ingenieros.
No todo fue fácil en el proceso de construcción de éste prototipo, surgieron varias
complicaciones las se tuvieron que solucionar de la manera más apta, una de las
dificultades fue el agrietamiento del cristal del fondo del canal (Ver Imagen 5.1),
éste surgió en el momento de colocado de los ejes donde irían montadas las
compuertas, debido a que uno de estos ejes cayo en el cristal del fondo del canal,
provocando que el fondo del canal se agrietara de manera excesiva, lo cual originó
que se tuviera que cambiar este cristal, debido a que el canal se tenía que llenar
de agua y en si se dejaba en este estado se presentarían fugas en el canal.
La construcción y elaboración de un prototipo en ingeniería es muy compleja,
debido a que no se tiene nada establecido para su elaboración, tal vez en primera
instancia se piense que es de lo más fácil hacer un proyecto como éste, pero a la
hora de que se empieza a diseñar y construir me fui dando cuenta de cuan
complicado es en realidad, no solo por la elaboración, si no por todos los
problemas que van surgiendo a la hora de elegir los materiales y como es que
estos también te tienen que ayudar a solucionar varios problemas más, es ahí
cuando en realidad un estudiante esta haciendo ingeniería, debido a que tiene que
empezar a solucionar problemas los cuales no tienen una fórmula o un proceso el
cual seguir. Es por esto que he llegado a la conclusión de que para poder hacer un
prototipo se tiene que tener ingenio.
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DESARROLLO DE PROTOTIPO DEL FUNCIONAMIENTO DE ESCLUSAS PARA EL
TRANSPORTE MARITIMO EN GRANDES ALTURAS
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Imagen 5.1. Cristal Agrietado
Otro de los problemas que surgieron fueron las fugas en el fondo del canal debido
a que en éste se encuentran los orificios en los cuáles entran los ejes de las
compuertas, por lo que se tuvo que idear un sistema impermeable que evitara las
fugas en estos orificios a base de empaques de plástico que se pegaron por la
parte de adentro y a fuera del cristal para así lograr el efecto deseado (Ver Imagen
5.2).
Imagen 5.2. Mecanismo impermeable del fondo del canal.
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DESARROLLO DE PROTOTIPO DEL FUNCIONAMIENTO DE ESCLUSAS PARA EL
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INGENIERIA CIVIL
Los problemas mencionados con anterioridad no son nada comparados con lo que
surgió en el momento de colocar el mecanismo de apertura y cerrado de las
compuertas, debido a que las cadenas que integran este mecanismo quedaron
demasiado flojas, lo que provocó que las cadenas se salieran de los piñones
haciendo con esto que los ejes no giraran por lo que no abrían ni cerraban las
compuertas las cuáles son las más importantes en este prototipo pues son las
encargadas de detener el agua y con ello lograr los diferentes niveles a los que
debe estar el agua para así poder hacer las diferentes prácticas en este canal, por
lo que se tuvo que solucionar rápidamente para así poder hacer las prácticas, la
solución que se le dio fue fácil y sencilla sin embargo al principio fue difícil pensar
es esta como posible solución, lo que se hizo fue poner un clavo que hizo que el
exceso de cadena se redujera logrando con esto que el mecanismo de apertura y
cerrado de las compuertas se comportara de la manera deseada (Ver Imagen 5.3).
Imagen 5.3. Mecanismo de apertura y cerrado de las compuertas
Una vez colocado este mecanismo se tuvo otro problema mucho mayor que el
anterior, el cual consistía en filtraciones del agua a través de las compuertas del
canal, debido a este problema no se podían alcanzar los niveles de agua
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DESARROLLO DE PROTOTIPO DEL FUNCIONAMIENTO DE ESCLUSAS PARA EL
TRANSPORTE MARITIMO EN GRANDES ALTURAS
INGENIERIA CIVIL
requeridos en las tres secciones de las prototipo, lo cual hacía imposible que las
prácticas se pudieran realizar, por lo que había que solucionar este problema de la
manera más rápida y apropiada, después de varias pruebas con diferentes
materiales se obtuvo uno el cual dio los resultados deseados no dejando pasar el
agua y pudiendo así obtener tres niveles de agua diferentes en las tres secciones
del prototipo, dicho material fue grasa común y corriente, que se colocó en los
contornos de las compuertas logrando así la hermeticidad deseada.
Imagen 5.4. Compuertas herméticas
Estos problemas no fueron todos, pero si fueron los más importantes por esto es
que los menciono, sin embargo su solución aunque no parece muy complicada en
su momento lo fue.
La mayoría de las prácticas que se realizaron en el canal tuvieron buenos
resultados ocasionando con ello que los objetivos de dichas prácticas se lograran.
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DESARROLLO DE PROTOTIPO DEL FUNCIONAMIENTO DE ESCLUSAS PARA EL
TRANSPORTE MARITIMO EN GRANDES ALTURAS
INGENIERIA CIVIL
Recomendaciones
La construcción del canal se debe de hacer con mucho cuidado ya que si no se
toman las medidas apropiadas éste se puede romper, haciendo con esto que se
tenga que volver a comprar el cristal y con esto perder dinero y tiempo en la
construcción del mismo.
Otro punto muy importante a tener en cuenta es el mecanismo de apertura y
cerrado de las compuertas, debido a que si no está bien diseñado las compuertas
pueden no sellar bien ocasionando que el canal no puede elevar ni descender una
embarcación.
También es necesario elegir bien el material que se utilizará en la base del
prototipo, por que si no se elige el apropiado puede este ser un problema a la hora
de montar el canal de cristal sobre el, pudiendo provocar que se truene el canal.
Es importante elegir muy bien los elementos y piezas del mecanismo de llenado
por que si no se eligen bien éste puede que no funcione de la manera deseada
haciendo con ello que el canal no sirva.
Es indispensable contar con los conocimientos necesarios sobre el tema, antes de
empezar a elaborar el proyecto, ya que si no se conoce mucho el tema se pueden
llegar a cometer errores muy significativos a la hora de la elaboración del
prototipo.
De igual manera es importante dar el tiempo de secado suficiente al silicón del
canal, como al de las tuberías, por que si no se tiene en cuenta esto las fugas se
dan de manera más fácil, lo que ocasionaría grandes problemas en la base del
canal la cual es de madera.
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DESARROLLO DE PROTOTIPO DEL FUNCIONAMIENTO DE ESCLUSAS PARA EL
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Glosario de Términos
Canal: Cauce artificial que, mediante esclusas, permite a las embarcaciones
salvar las diferencias de nivel.
Cimbraplay: Es un tablero estructural constituido por varias capas de hojas finas
de madera de pino ponderosa, colocadas perpendicularmente una hoja con
respecto a la otra, adheridas con resinas formaldehídas, solo que de menor
calidad que el triplay.
Compuerta: Portón movible en presas y canales.
Cremallera: Es un dispositivo dentado perteneciente a los diversos tipos de
engranajes.
Cristal: Es un sólido homogéneo que presenta una estructura interna ordenada de
sus partículas reticulares, sean átomos, iones o moléculas.
Dique.- Muro artificial hecho para contener la fuerza de las aguas o del oleaje.
Esclusa: Recinto en un canal de navegación con puertas movibles de entrada y
salida que se pueden cerrar o abrir según se quiera contener las aguas o dejarlas
correr.
Flecha: Elemento cilíndrico de acero macizo.
Flotación: Fenómeno que se presenta cuando un cuerpo logra flotar en un liquido.
Flujo: Movimiento de una sustancia líquida o gaseosa.
Gasto: El gasto es el volumen de un líquido que atraviesa una sección de un
conductor en un segundo.
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DESARROLLO DE PROTOTIPO DEL FUNCIONAMIENTO DE ESCLUSAS PARA EL
TRANSPORTE MARITIMO EN GRANDES ALTURAS
INGENIERIA CIVIL
Gravedad: es la fuerza de atracción que experimentan entre sí los objetos con
masa.
Marea.- Movimiento periódico de ascenso y descenso de las aguas del mar en las
costas por influjo de las atracciones combinadas del Sol y la Luna.
Mezclador.- Maquina que sirve para mezclar diversas sustancias.
Momento: Se denomina momento de una fuerza respecto de un punto, al
producto vectorial del vector posición de la fuerza por el vector fuerza.
Paramento: Cualquiera de las dos caras exteriores de una compuerta.
Peso especifico: Se define como el peso por unidad de volumen.
Piñón: La menor de las dos ruedas dentadas de un engranaje.
Placa reflectora: Pieza metálica en la parte inferior de la compuerta encargada de
evitar el paso del flujo.
Presión: Cociente de la fuerza ejercida por un fluido sobre determinada superficie
y esta misma superficie.
Rodillo Guía: Pieza cilíndrica encargada de guiar a la compuerta.
Solera: Pieza de metal o madera que se coloca horizontal en la parte superior o
inferior del tablero de una compuerta y sobre el cual se apoya la estructura.
Tablero: Se le llama así a la parte de la compuerta que es la encargada de
bloquear el agua.
Triortogonal: Hace referencia a un sistema en el cual hay tres vectores.
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DESARROLLO DE PROTOTIPO DEL FUNCIONAMIENTO DE ESCLUSAS PARA EL
TRANSPORTE MARITIMO EN GRANDES ALTURAS
INGENIERIA CIVIL
Triplay: Es un tablero estructural constituido por varias capas de hojas finas de
madera de pino ponderosa, colocadas perpendicularmente una hoja con respecto
a la otra, adheridas con resinas formaldehídos.
Válvula: Mecanismo que sirve para regular el flujo del agua.
Vástago: Varilla o barra que transmite el movimiento.
Veda: Limite de la compuerta.
Velocidad: Rapidez con la que un cuerpo se mueve de un punto a otro.
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DESARROLLO DE PROTOTIPO DEL FUNCIONAMIENTO DE ESCLUSAS PARA EL
TRANSPORTE MARITIMO EN GRANDES ALTURAS
INGENIERIA CIVIL
Glosario de Siglas
A.- Área
a.- Aceleración
b.- Base
C.- Coeficiente
cm.- Centímetros
g.- Gravedad
I.- Momento
Kg.- Kilogramo
kg/m3.- Unidad que representa peso específico
L.- Distancia
m.- Metro
mm.- Milímetros
P.- Fuerza
Q.- Gasto
Ton/m3.- Unidad que representa peso específico
Ton.- Toneladas
V.- Velocidad
v.- Volumen
γ .- Peso Específico
∫
.- Integral
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