INTRODUCCIÓN A LA HIDRÁULICA 2 CONTENIDO: 🠶 Hidráulica, Conceptos, Histórico, Divisiones. 🠶 Relación de la hidráulica con la actividad agropecuaria. 🠶 Agua, Características, Propiedades, Ciclo Hidrológico, Aplicaciones. 🠶 Fluidos, Magnitudes y Mediciones, Propiedades. 🠶 Hidrostática. 🠶 Estudio de las presiones en los fluidos. 🠶 Estudio de las fuerzas actuantes sobre superficies sumergidas. OBJETIVO: 🠶 Conocer los principios básicos, conceptos y propiedades de la hidráulica. QUÉ ES LA HIDRÁULICA ……? ✓ El término "hidráulica" significa “ CONDUCCIÓN DEL AGUA" y se origina de dos palabras: Palabra Griega “ hydor “ que es Agua “ aulos “ que es Tubo o Conducción DEFINICIÓN Parte de la hidrodinámica aplicada, que investiga de forma simplificada el escurrimiento de los fluidos especialmente el agua. Se refiere al estudio del comportamiento del agua y de otros líquidos, en reposos (hidrostática) o en movimiento (hidrodinámica) (Azevedo et al., 1998). Es el arte de captar, conducir, elevar y utilizar el agua, aplicándose las leyes de la mecánica de los líquidos (Daker, 1987). HISTORICO Egipto, 2.500 a.C. Assíria, 691 a.C. • Emprendimientos de riego. • Primer sistema público de abastecimiento de agua. Roma, 312 a.C. • Acueductos construidos de piedra con 560 Km de extensión, conduciendo mas 200 millones de litros de agua por día. Grecia, 250 a.C. • Principios de hidrostática que fueron enunciados por Arquimedes en su tratado sobre cuerpos fluctuantes. 200 a.C. • Bomba de pistón concebida por el físico griego Ctesibius e inventada por su discípulo Hero. Da Vinci (1452-1519) • Precursor de la ingeniería hidráulica, proyectó y construyó una compuerta para el canal de Milán (Italia). También contribuyó para la formación de los fundamentos de la ciencia hidráulica. Torricelli (1644) • Descubrió que la velocidad (v) de escurrimiento a través de orificios era proporcional a la raíz cuadrada de la carga (h) medida por la distancia de la superficie de nivel. ✓ Los principios básicos sobre los movimientos de los fluidos, se desarrollaron lentamente, durante la evolución de la humanidad. Divisiones Hidraulica Hidraulica general HIDROSTÁTICA Estudia las leyes referente a los Hidrostatica líquidos en equilibrio. Hidrodinamica Hidraulica aplicada Agricola Urbana o Sanitaria Motriz HIDRODINÁMICA Fluvial Subterranea Estudia las leyes referente a los líquidos Grandes Estruturas en movimiento Maritima HIDRAULICA APLICADA Hidráulica urbana Hidráulica rural o agrícola Sistema de abastecimiento de Riego Drenaje agrícola agua Desagüe sanitario Hidráulica fluvial Galería de agua pluvial Puertos Drenaje urbana Obras marítimas Instalaciones hidráulicas Rios Canales predial Agua fria, Combate a incendio, Agua caliente, Piscinas, Consumo específico de agua. Hidráulica industriales Procesos de fabricación Enfriamento “Utilización y aplicación de las leyes científicas, con un fin práctico”. 9 EL RECURSO AGUA ✓ 71% de la superficie del planeta es agua. ✓ Volumen total de agua dulce estimado de 35 millones de km3 Social ✓ Indispensable Económico Ambiental AGUA COMO UN RECURSO ESCASO La escassez no es solo física, tambien es economica, en función de la capacidad de movilizar este recurso. UNESCO, 2012 AGUA 1. 2. 3. 4. 5. RECURSO VITAL RECURSO ESCASO RECURSO DE USO MÚLTIPLE RECURSO MÓVIL RECURSO RELATIVAMENTE RENOVABLE Volumen de agua (millones km3) Porcentaje de agua dulce Porcentaje del total del agua Agua total 1 386 100,00 Agua dulce 35 100,0 2,53 Glaciares y capas polares 24,4 69,7 1,76 Agua subterránea 10,5 30,0 0,76 Distribución de los recursos hídricos mundiales 12 Ciclo hidrológico ✓ Proceso de circulación del agua entre los distintos compartimentos de la tierra. AGUA Y AGRICULTURA 11% Superficie Terrestre Escenario 2000-2050 70% de las extracciones de agua 30% del consumo total de energía ONU, 2015; UNESCO, 2016 OECD, 2012 AGRICULTURA IRRIGADA 13% de las tierras cultivadas 67% del consumo total de agua Dos o Tres veces más productivo que la agricultura de secano Impacto mucho mayor sobre los recursos hídricos Argentina, Brasil, Chile, México y Perú, responsable de una parte importante de la producción agrícola “exportación”. Siegert et al., 2010 FAO, 2011;UNESCO, 2016 AGRICULTURA IRRIGADA Aumento de la extracción de agua para la agricultura, 1998 al 2030, en %. Productividades y requerimientos de la agricultura bajo riego y la de secano. “Dos o Tres veces más productivo que la agricultura de secano” 17 Propiedades del agua Propiedades del agua Cohesión (Puentes de H, Fuerzas de VW) Adhesión (Dipolo, Fuerzas de VW) Tensión superficial Adsorción Capilaridad ✓ COHESIÓN: atracción entre las partículas de misma naturaleza (L-L). 4 N COHESIÓN > ADHES1IÓ TENSION SUPERFICIAL: ✓ Atracción entre las moléculas superficiales mayor que la atracción ejercida entre las moléculas en el interior del liquido, formando una película elástica. ✓ Disminuye con el aumento de la Temperatura. ✓ Si ↓ S es porque la fuerza de interacción entre las moléculas de la superficie son menores. ✓ ADHESIÓN: atracción entre las moléculas del fluido y de un sólido con el cual establece contacto. Atracción entre partículas de naturaleza distinta Meniscos solo existen en poros no saturados. COHESIÓN < ADHESIÓN ✓ CAPILARIDAD: capacidad que tiene el agua para ascender por un canal muy delgado, siempre y cuando este en contacto con ambas paredes del canal. La cohesión, la adhesión y la tensión superficial son responsables del fenómeno conocido como capilaridad. h = s cos q gr Donde: h = altura de ascenso (m) s = tensión superficial (N/m) q = ángulo de contacto r = radio del tubo (m) g = peso especifico (N/m3) FLUIDOS- DEFINICIÓN Sustancias o cuerpos cuyas moléculas o partículas tienen la propiedad de moverse unas en relación a las otras, sobre la acción de fuerzas de mínima magnitud. Ej.: Líquidos y Gases. Los Liquidos tienen una superficie libre y una determinada masa de liquido a una misma temperatura. Sustancia que se deforma constantemente, cuando se somete a un esfuerzo cortante. ✓ Los líquidos son poco compresibles y con poca resistencia a esfuerzos a tracciones y esfuerzos cortantes. ✓ Los gases al ser colocados en un recipiente, ocupan todo el volumen, independientemente de su masa y del tamaño del recipiente. ✓ Los gases son altamente compresibles y de pequeña densidad en relación a los líquidos. Análisis Dimensional Magnitudes y mediciones MAGNITUDES FÍSICAS: son todos aquellos factores que intervienen en el desarrollo de un experimento o fenómeno físico. ✓ Para medir una magnitud cualquiera (M) se compara esta con otra que ha sido elegida como patrón o unidad (m). La medida se expresa por un numero (n). ✓ Mediciones: directas o indirectas SIMBÓLICAMENTE Magnitudes: escalares o vectoriales ✓ MAGNITUDES ESCALARES: magnitudes que para su completa definición necesitan solo de un número y una unidad. Las cantidades escalares obedecen las reglas de la aritmética, de las suma, resta, multiplicación, división. ✓ MAGNITUDES VECTORIALES: son magnitudes que además de numero y unidad necesitan de dirección y sentido. VECTOR: • Toda magnitud vectorial es representada por medio de un vector. • Segmento de recta que señala una dirección y un sentido (definido por una flecha en uno de sus extremos). Velocidad Ejemplo Aceleración Magnitudes y unidades ✓ Para la resolución de problemas físicos o hidráulicos es preciso estar familiarizado con los sistemas de unidades y ser capaces de realizar conversiones de un sistema a otro. ✓ Las magnitudes fundamentales (tradicionalmente) son: Longitud Masa Tiempo MAGNITUDES Volumen Área Fuerza ✓ Cada magnitud fundamental posee lo que se denomina unidad fundamental, siendo las demás derivadas. ✓ El conjunto de unidades fundamentales se denomina sistema de unidades. ✓ El sistema de unidades que utilizamos normalmente en el Paraguay es el Sistema Internacional. Sistema = cgs - MKS - Técnico Magnitudes y unidades Sistemas cgs MKS Técnico Magnitud Unidad Símbolo Unidad Símbolo Unidad Símbolo Longitud Centímetro cm Metro m Metro m Masa Gramo g Kilogramo kg - - Fuerza - - - Kilogramofuerza kgf Tiempo Segundo segundo segundo segundo segundo s 29 Fluidos - Propiedades La hidráulica se enfoca mas al estudio de líquidos. Respuesta de un liquido a las diversas situaciones Propiedades físico – químicas , Estructura molecular Variación de la Presión conforme a la Temperatura Temperatura (oC) Presión de vapor del agua PRESIÓN DE VAPOR O N/m2 kgf/m2 milibares 4 813 83 8,3 10 1.225 125 12,5 liquido, cuando el liquido se 20 2.330 239 23,9 evapora, esta presión de vapor 50 12.300 1.259 125,9 varia con la temperatura. 100* 101.200 10.330 1.033 TENSIÓN DE VAPOR: Presión en la superficie de un ✓ MASA ESPECIFICA (ρ): la masa de un fluido en una unidad de fluido es denominada densidad absoluta o masa especifica. Unidades: Kg/m3, Kg/dm3, Lb/pe3. M = V ✓ PESO ESPECIFICO (): el peso especifico de un fluido es el peso de la unidad de volumen de ese fluido. Unidades: ✓ Kgf/m 3, Lbf/pe3, Kgf/dm3. = Estas magnitudes dependen de la temperatura y de la presión P V Variación de la masa especifica del agua con la temperatura Temperatura (oC) Masa especifica (kg/m3) 0 999,87 4 1.000 20 998,23 30 995,67 40 992,24 50 988 100 958 Variación de la masa especifica de algunos líquidos con la temperatura Liquido Masa especifica (kg/m3) Mercurio 13.600 Agua (a 4 oC) 1.000 Alcohol 790 Aire 1,3 ✓ VOLUMEN ESPECÍFICO (Ve): es el volumen ocupado por 1Kg de producto. Este volumen varia de acuerdo con la temperatura, para el agua a 4° C: Ve = 0,001 m3 /Kg a, 28° C Ve = 0,001005 m3/Kg. ✓ DENSIDAD (d): es la comparación entre el peso del líquido y el peso de igual volumen de agua destilada, a temperatura de 4°C. Por tratarse de una relación entre pesos, constituye un número a dimensionar, para agua d = 1,0 ✓ COMPRESIBILIDAD: es la propiedad que tienen los cuerpos de reducir su volumen sobre la acción de presiones externas. ✓ Considerando la ley de conservación de masas, un aumento de presión corresponde a un aumento de masa especifica, o sea, una disminución de volumen. Donde: dV = - aVdp dV = variación de volumen a = coeficiente de compresibilidad e = modulo de elasticidad, con dimensional F L-2 V = es volumen inicial dp = variación de presión = del agua a 20o C = (21,07 N/m2)108 ✓ VISCOSIDAD ABSOLUTA: cuando un fluido escurre, se verifica un movimiento relativo entre sus partículas, como resultado se verifica un rozamiento entre las mismas. ✓ Rozamiento interno o viscosidad es la propiedad de los fluidos responsable por su resistencia a la deformación. Donde: v A Dn B v+ Dv F= mA Dv Dn F = fuerza resultante A = área o superficie v = velocidad m = coeficiente de viscosidad dinámica, con dimensional (FL-2 T) ( N s/m2), ( kgf s/m2) , (dina s/ cm2) Dn = distancia m = del agua a 20o C = (1008 N s/m2)10-6 Dividiendo m por el valor de la masa especifica (r) del fluido se obtiene la viscosidad cinemática (u) que tiene el dimensional (L2 T-1 ). Ej.: Agua a 20o C (1007 m2 /s) 10-9, que no depende de una unidad de masa. 37 ❖ “ Si tienes que lidiar con agua, consulta primero la experiencia y después la razón “ Leonardo da Vinci (1452-1519) ❖ “ La hidráulica es la ciencia de constante variables “ Desconocido ❖ “ Más fácil me fue encontrar las leyes con que se mueven los cuerpos celestes, que están a millones de kilómetros, que de definir las leyes del movimiento del agua, que escurren frente a mis ojos ”“ Galileu Galilei (1564-1642)
