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MANUAL DE PRÁCTICAS DE LABORATORIO DE HIDRÁULICA UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA Ramiro Marbello Pérez SEDE MEDELLÍN Escuela de Geociencias y Medio Ambiente 1 1. INTRODUCCIÓN MANUAL DE PRÁCTICAS DE LABORATORIO DE HIDRÁULICA es un estructurado soporte teórico para las prácticas básicas de Laboratorio de Hidráulica Aplicada, y un conjunto de guías didácticas para la realización de las mismas. Esencialmente, comprende la fundamentación teórica y la descripción experimental de ocho prácticas de laboratorio, y un anexo de herramientas computacionales, como complemento del curso teórico-práctico de Hidráulica de Canales. El presente trabajo es el producto de 23 años de experiencia de su autor, en el ejercicio docente, a través de la enseñanza de las asignaturas Mecánica de Fluidos, Flujo a Superficie Libre, Laboratorio de Hidráulica Aplicada, Hidráulica, Acueductos y Alcantarillados, y Tratamiento de Aguas. A partir del segundo capítulo, el libro presenta la fundamentación de todas y cada una de las prácticas de laboratorio correspondientes al curso teórico. En cada una de ellas, inicia planteando los objetivos perseguidos por la práctica correspondiente, continúa con un amplio desarrollo de los fundamentos teóricos sobre los cuales se apoya la misma. En esta parte se ilustran clara y secuencialmente los conceptos básicos del tema considerado, y se deduce, paso por paso, la gran mayoría de las ecuaciones y fórmulas básicas del curso de Hidráulica. Posteriormente, se describe el procedimiento a seguir durante la realización de la experiencia de laboratorio, complementada con un esquema de la instalación física de la práctica, y con modelos de tablas para el registro de datos medibles y calculables, encabezadas con leyendas y nombres de las variables hidráulicas que participan en dicha práctica de laboratorio . Además, se explica la manera de hacer los cálculos numéricos y las gráficas que evidencien las variaciones y el comportamiento de las variables hidráulicas comprometidas en el fenómeno estudiado. Al final de cada capítulo, es decir, de cada práctica, se plantea un cuestionario que deberá responder el estudiante, a fin de estimular su capacidad analítica y su grado de asimilación de la experiencia de laboratorio. Entre los aspectos relevantes de este trabajo, cabe destacar los siguientes aportes: La introducción de cuatro nuevas prácticas de Laboratorio de Hidráulica Aplicada, y son: Energía Específica y Flujo Crítico, Medidores de Régimen Crítico, Flujo Uniforme y Determinación de la Rugosidad en Canales, y Flujo Gradualmente Variado y Perfiles de Flujo.

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MANUAL DE PRÁCTICAS DE LABORATORIO DE HIDRÁULICA

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA Ramiro Marbello Pérez

SEDE MEDELLÍN Escuela de Geociencias y Medio Ambiente

1

11.. IINNTTRROODDUUCCCCIIÓÓNN

MANUAL DE PRÁCTICAS DE LABORATORIO DE HIDRÁULICA es un estructurado soporte teórico

para las prácticas básicas de Laboratorio de Hidráulica Aplicada, y un conjunto de guías didácticas

para la realización de las mismas.

Esencialmente, comprende la fundamentación teórica y la descripción experimental de ocho

prácticas de laboratorio, y un anexo de herramientas computacionales, como complemento del

curso teórico-práctico de Hidráulica de Canales.

El presente trabajo es el producto de 23 años de experiencia de su autor, en el ejercicio docente, a

través de la enseñanza de las asignaturas Mecánica de Fluidos, Flujo a Superficie Libre,

Laboratorio de Hidráulica Aplicada, Hidráulica, Acueductos y Alcantarillados, y Tratamiento de

Aguas.

A partir del segundo capítulo, el libro presenta la fundamentación de todas y cada una de las

prácticas de laboratorio correspondientes al curso teórico. En cada una de ellas, inicia planteando

los objetivos perseguidos por la práctica correspondiente, continúa con un amplio desarrollo de los

fundamentos teóricos sobre los cuales se apoya la misma. En esta parte se ilustran clara y

secuencialmente los conceptos básicos del tema considerado, y se deduce, paso por paso, la gran

mayoría de las ecuaciones y fórmulas básicas del curso de Hidráulica. Posteriormente, se describe

el procedimiento a seguir durante la realización de la experiencia de laboratorio, complementada

con un esquema de la instalación física de la práctica, y con modelos de tablas para el registro de

datos medibles y calculables, encabezadas con leyendas y nombres de las variables hidráulicas

que participan en dicha práctica de laboratorio . Además, se explica la manera de hacer los cálculos

numéricos y las gráficas que evidencien las variaciones y el comportamiento de las variables

hidráulicas comprometidas en el fenómeno estudiado.

Al final de cada capítulo, es decir, de cada práctica, se plantea un cuestionario que deberá

responder el estudiante, a fin de estimular su capacidad analítica y su grado de asimilación de la

experiencia de laboratorio.

Entre los aspectos relevantes de este trabajo, cabe destacar los siguientes aportes:

La introducción de cuatro nuevas prácticas de Laboratorio de Hidráulica Aplicada, y son: Energía

Específica y Flujo Crítico, Medidores de Régimen Crítico, Flujo Uniforme y Determinación de la

Rugosidad en Canales, y Flujo Gradualmente Variado y Perfiles de Flujo.

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1. INTRODUCCIÓN

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA Ramiro Marbello Pérez

SEDE MEDELLÍN Escuela de Geociencias y Medio Ambiente

2

La deducción rigurosa y detallada de numerosas ecuaciones fundamentales para el ejercicio de

la Hidráulica Aplicada. Entre éstas, vale la pena resaltar la ecuación de las profundidades

alternas del flujo a través de una compuerta plana y rectangular, y la ecuación de la eficiencia de

conversión de energía del Resalto Hidráulico, las cuales no se presentan en los textos clásicos

de Hidráulica.

La descripción secuencial de la marcha de cada práctica de laboratorio y los modelos de

tabulación de los datos experimentales.

La numerosa ilustración gráfica de los conceptos teóricos, a lo largo del texto, y de los

procedimientos experimentales.

La deducción de las ecuaciones para el caudal de flujo en medidores de régimen crítico.

La deducción de la ecuación de resistencia de Darcy & Weisbach, combinada con la ecuación de

Colebrook & White, para el cálculo del flujo uniforme en canales abiertos.

Una amplia documentación de la práctica de Hidrometría y Aforo de Corrientes Naturales.

La deducción de las relaciones adimensionales v/vLL y Q/QLL , indispensables para el diseño de

conductos circulares con flujo uniforme, es decir, los colectores de alcantarillados, sin necesidad

de ábacos, ni tablas de diseño.

Un completo y detallado análisis de los perfiles de flujo gradualmente variado.

La elaboración y presentación de 10 programas de calculadora, en lenguaje BASIC, a fin de

facilitar los dispendiosos cálculos iterativos, inevitables en la aplicación de esta disciplina técnica.

Estas herramientas computacionales son:

Programa para el Cálculo de los Elementos Geométricos de la Sección Transversal del Flujo.

Programa para el Cálculo de las Profundidades Alternas del Flujo.

Programa para el Cálculo de la Profundidad Crítica del Flujo, y de la Pendiente Crítica del

Canal.

Programa para el Cálculo de las Profundidades Conjugadas del Flujo.

Programa para el Cálculo de la Profundidad Normal, a partir de la Ecuación de Manning.

Programa para el Cálculo de la Profundidad Normal, a partir de la Ecuación de Darcy &

Weisbach - Colebrook & White.

Programa para el Cálculo de Perfiles de Flujo Gradualmente Variado, por el Método del

Paso Directo.

Programa para el Cálculo de Perfiles de Flujo Gradualmente Variado, por el Método del

Paso Estándar.

Programa para el Cálculo de Perfiles de Flujo Gradualmente Variado, por el Método Runge -

Kutta de Orden 4.

Algoritmo de Steffensen para el Cálculo de las Raíces de Ecuaciones No-Lineales, de

cualquier orden.

Su contenido, su estructuración y los aportes arriba destacados, hacen de este libro un texto de

apoyo y consulta para estudiantes de las carreras de Ingeniería Civil, Ingeniería Sanitaria, Ingeniería

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MANUAL DE PRÁCTICAS DE LABORATORIO DE HIDRÁULICA

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA Ramiro Marbello Pérez

SEDE MEDELLÍN Escuela de Geociencias y Medio Ambiente

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Agrícola, Ingeniería Ambiental, Ingeniería Eléctrica e Ingeniería de Minas, y para profesores y

profesionales en ejercicio, comprometidos con los procesos de aprehensión, enseñanza y aplicación

de los conceptos teóricos y prácticos de la Hidráulica de Canales.

Obviamente, este trabajo, resultado del gran esfuerzo que lleva consigo la tarea de recopilar,

estudiar, estructurar, redactar, esquematizar, digitalizar y presentar unas notas de clases, para un

curso técnico, de elevado rigor físico-matemático, es susceptible de comisión de errores y, por

supuesto, de sugerencias y modificaciones. Bienvenidas, pues, estas últimas, y mejor aún, si son

objetivas y vienen acompañadas de la manera de cómo acometerlas.

Sugerencias, recomendaciones y correcciones a este trabajo podrán hacerse, dirigiéndose a la

Escuela de Geociencias y Medio Ambiente, de la Universidad Nacional de Colombia - Sede

Medellín, Apartado Aéreo No. 1027, o a la dirección electrónica: [email protected].