capitulo2_03 conceptos básicos de hidráulica para bomberos

Captulo 3 Conceptos bsicos de hidrulica para bomberosJuan Miguel Suay Belenguer

1. INTRODUCCIN

Nunca consideres el estudio como una obligacin, sino como una oportunidad para penetrar en el bello y maravilloso mundo del saber. Albert Einstein (1879 1955)

Quien aumenta el conocimiento, aumenta el dolor Eclesiasts 1:18

La madre del conocimiento es la ciencia; la opinin cra ignorancia Hipcrates (460 - 377 a.C. aprox.)

Si leemos la definicin de la palabra BOMBERO en el diccionario de la Real Academia Espaola, vemos que adems describir a la persona que tiene por oficio extinguir incendios y prestar ayuda en otros siniestros, tiene otra acepcin persona que tiene por oficio trabajar con bombas hidrulicas, aqu es donde se encuentra el origen de la palabra, ya que para extinguir un fuego se necesita agua y este fluido extintor tiene que ser impulsado mediante bom-

784 CCOO FORMACINbas. Tradicionalmente los que contaban con el oficio y el buen arte del manejo de estas maquinas eran los profesionales de la extincin de incendios.

A lo largo de la historia, los bomberos han dispuesto de materiales cada vez ms desarrollados tecnolgicamente, esto ha trado consigo la necesidad de una formacin en su manejo cada vez ms especializada, pero curiosamente un conocimiento profundo sobre su principal herramienta de trabajo no ha evolucionado.

La hidrulica entendida como el arte de conducir, contener, elevar y aprovechar las aguas, es una ciencia muy antigua en donde se anan el arte, las matemticas, la fsica y la tecnologa. La principal dificultad estriba en que algunos conceptos manejados por esta ciencia desafan nuestra intuicin, por lo tanto, es necesario acercarse a su estudio empleando una metodologa adecuada. El objetivo de este texto es que el bombero conozca esta metodologa, ya que un profesional de la extincin debe conocer y comprender conceptos tales como: presin baromtrica y manomtrica, presin esttica y dinmica, leyes fundamentales de la hidrosttica, leyes fundamentales de la hidrodinmica, perdidas de carga, etc. Adems de ser capaz de realizar diferentes clculos en instalaciones para bomberos y estar familiarizado con las caractersticas tcnicas de las bombas de impulsin y aspiracin ms comunes entre los Servicios de Prevencin y Extincin de Incendios y Salvamento (SPEIS). Todos estos conceptos se desarrollan a lo largo de este libro. Pero al igual que un conocimiento, aunque sea bsico, de la msica necesita del solfeo y de la armona. La hidrulica necesita de la fsica y del lenguaje de las matemticas. Todo el que quiera entender los fenmenos observados en las instalaciones de bomberos debe tener un conocimiento mnimo de estas disciplinas. Es cierto que se puede tocar de odo, pero de esta forma corremos el peligro de no pulsar la nota correcta, y por tanto desvirtuar la pieza musical. Esta es la razn por la que se ha dedicado un apartado inicial a fijar una serie de conceptos procedentes de la fsica, tales como fuerza, energa y potencia, con el objetivo de comprender algunas de los razonamientos posteriores. Si bien a lo largo del texto se muestras una serie de ejemplos de los temas tratados, se dedica el ltimo capitulo a desarrollar una serie de supuestos prcticos, en los que se utilizan los conocimientos adquiridos en situaciones rea-

CONTROL Y EXTINCIN DE INCENDIOS (MF0402_2) 785

les. El texto termina con una serie de apndices con un carcter ms tcnico, pensados para los que tengan la necesidad de ampliar un poco ms algunos de los temas tratados.

Espero que este manual ayude a paliar la carencia de un texto de hidrulica, en castellano, pensado para los profesionales de la extincin de incendios. He de agradecer a toda la gente que me ha ayudado y apoyado en este proyecto, pero sobre todo a Jess Clavan que confi en m para su realizacin y a mi mujer Inmaculada que me revis el texto, adems de armarse de paciencia y asumir, junto con mi hija Lucia, que durante unos meses dedicada ms tiempo al arte de la hidrulica que a su compaa.

2. CONOCIMIENTOS GENERALES

Mientras lo moviente mueve lo movible, aquello reproduce en esto cierta fuerza (impetus) capaz de mover este movible en la misma direccin... indiferentemente de si ser hacia arriba, hacia abajo, hacia un lado o por la circunferencia Las mquinas no crean fuerza; ellas slo la transforman, y todo aqul que espere otra cosa no comprende nada en mecnica. Galileo Galilei (1564-1642) J. Buridan (1300-1350)

La isla Misteriosa Julio Verne (1874)

-Mucho peor, seor Ciro! Caemos!

-No, al contrario, descendemos!

-Subimos?

Sea una masa en movimiento que recorre un espacio (s) en un tiempo determinado (t), decimos que lleva una rapidez igual a:

2.1. Rapidez, velocidad y aceleracin

786 CCOO FORMACINSe mide en m/s.

Coloquialmente usamos como sinnimas las palabras rapidez y velocidad, pero son conceptos diferentes en fsica, puesto que la velocidad es una rapidez en una determinada direccin y sentido. Es decir si decimos que un globo se desplaza con una rapidez de 10 m/s, no es lo mismo que vayamos en direccin vertical subiendo, bajando o en horizontal paralelo al suelo. Todas ellas son situaciones fsicas muy distintas. Cuando una magnitud fsica, como la velocidad, depende de su direccin y sentido decimos que es una magnitud vectorial. Decimos que una masa en movimiento tiene una aceleracin, cuando existe una variacin de su velocidad en la unidad de tiempo. Se mide en m/s por


cada segundo (m /s2). Es decir si un cuerpo lleva una aceleracin de 10 m/s2 significa que si parte del reposo, durante el primer segundo lleva una velocidad de 10 m/s, en el siguiente segundo ir a 20 m/s, a los tres segundos el cuerpo ya va a 30 m/s, etc.

En el transcurso de tiempo, la velocidad del cuerpo puede variar en rapidez, direccin o sentido. As por ejemplo, un automvil cuando arranca, y sigue un movimiento rectilneo, la aceleracin lleva la misma direccin y sentido que la velocidad. Si la aceleracin (a) es constante, el vehculo aumentar progresivamente su velocidad, tal que al cabo de un instante t:

Cuando se frena el mismo automvil, la aceleracin lleva el sentido contrario, ya que hace decrecer a la velocidad, en el caso de que al frenar apliquemos una aceleracin constante, el tiempo que tardar un vehculo en parar ser:

2.2. Fuerza, trabajo, energa mecnica y potenciaSe llama fuerza a cualquier accin o influencia capaz de modificar el estado de movimiento o de reposo de un cuerpo; es decir, de imprimirle una aceleracin modificando su velocidad, ya sea en su rapidez, direccin o sentido. 2.2.1. Fuerza

788 CCOO FORMACINAs por ejemplo, si estamos en una pista de patinaje sobre hielo y nos movemos con una velocidad constante, si queremos ir ms deprisa, tendremos que darnos un impulso, con nuestros msculos o empujndonos alguien. En este caso hemos variado nuestra rapidez pero no la direccin o el sentido de nuestra trayectoria.

Otro ejemplo lo tenemos en la patinadora de la figura, para poder seguir una trayectoria curva sobre la pista de hielo debe estar sometida a una fuerza, que hace que la misma sufra una aceleracin, que se manifiesta en la variacin del sentido de la velocidad, no en la variacin de la rapidez.


Por lo tanto, una fuerza F aplicada a un cuerpo de masa m hace que este adquiera una aceleracin a en el mismo sentido y direccin que la fuerza aplicada, siendo directamente proporcional a la fuerza e inversamente proporcional a la masa del cuerpo1:

Las fuerzas se miden en newton (N), definido como la fuerza que hay que aplicar a una masa de un kilo, para comunicarle una aceleracin de un m/s2.

Este principio aparece por ejemplo cuando empujamos un vehculo averiado para arrancarlo. Al principio, nos cuesta mucho moverlo, pero a medida que lo conseguimos, nos cuesta menos, ya que le estamos aplicando al mismo una aceleracin que ser constante si aplicamos una fuerza tambin constante.

Todo cuerpo que es sometido a una fuerza experimenta una aceleracin y viceversa. Por lo tanto si un cuerpo tiene velocidad constante significa que o bien esta en reposo o posee velocidad constante, por lo tanto o no esta sometido a ninguna fuerza o la suma de las fuerzas a las que esta sometido se anulan dos a dos. Puede que al aplicar una fuerza a un cuerpo, la accin no se manifieste en una variacin de su estado de movimiento, sino que le produzca una deformacin comprimindolo o estirndolo, es decir variando sus dimensiones en una o varias direcciones. En este caso a la fuerza la denominamos tensin o esfuerzo cuando se trata de un slido. En un fluido gaseoso la accin de una fuerza sobre el mismo implica, como hemos visto, una reduccin de volumen y por tanto un aumento de su densidad. Hay fuerzas como las de naturaleza gravitatoria, magntica y elctrica que se manifiestan mediante una accin a distancia. No llevando implcito en esta interaccin un contacto fsico entre los cuerpos que interactan. Son ejemplo de este tipo de fuerza, el caso de un imn que atrae (modifica su estado de movimiento) a un clavo de hierro o cuando la Tierra atrae a la Luna mediante la fuerza de la gravedad, obligndole que siga una trayectoria curva (acelerndose).

1

Es la Segunda Ley de Newton del movimiento. Ver Apndice I.

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Fsica en el paracaidismoCuando salta al vaco un paracaidista, esta sometido a dos fuerzas: su peso que tiende a precipitarlo contra el suelo y la resistencia del aire que frena su cada. La fuerza de resistencia D, depende de la forma y superficie del paracaidista y de la velocidad al cuadrado. Al principio D es pequea y por tanto el saltador se acelera ya que esta sometido a la fuerza del peso, como consecuencia de esto la fuerza de resistencia aumenta, hasta que llega a una altura respecto del suelo que se iguala al peso (P). A partir de ese momento el paracaidista deja de acelerarse, ya que las fuerzas son iguales y de sentido contrario, por lo tanto se anulan lo mismo que la aceleracin. El saltador ha alcanzado lo que se conoce como velocidad terminal (alrededor de 200 km/h), no importa desde que altura se ha realizado el salto. Si no abriera el paracadas llegara al suelo con la misma velocidad. Si quiere sobrevivir al salto el paracaidista tendr que llegar al suelo con una velocidad baja, para lo cual abre el paracadas, aumentando la superficie y por tanto la fuerza de resistencia (D), que hace que aparezca una aceleracin hacia arriba, disminuyendo la velocidad de cada, hasta que vuelva a igualarse con el peso, pero esta vez con una velocidad de descenso menor (unos 15 o 25 km/h). Para que esto se produzca, el saltador debe abrir al paracadas a una altura mnima para que le de tiempo a frenar.

2.2.2. Trabajo. Energa cintica y potencial

Se entiende por trabajo realizado por una fuerza (F) sobre una masa (m) durante un recorrido (s) al producto de la fuerza por dicha distancia: Se mide en julios (J) que es igual al trabajo producido al aplicar un newton durante un metro. W = Fuerza x distancia = Fs


En general el trabajo puede dividirse en dos categoras. En la primera ste se realiza en contra de una fuerza. Es el caso de cuando comprimimos un muelle o un arquero tensa un arco, se esta haciendo un trabajo contra las fuerzas elsticas. Otro ejemplo se produce cuando levantamos un objeto, hacemos un trabajo contra la fuerza de gravedad. Tambin hacemos trabajo cuando arrastramos un objeto contra la fuerza de rozamiento que nos impide el movimiento del mismo. El otro tipo de trabajo se produce al cambiar el estado de movimiento de un cuerpo acelerndolo o frenndolo. Cuando hemos tensado la cuerda del arco, el material deformado adquiere la capacidad de hacer un trabajo sobre una flecha. Despus de haber elevado un objeto, podemos dejarlo caer adquiriendo la capacidad de producir un trabajo deformando la superficie que golpea o sobre si mismo rompindose. Si hemos aplicado un trabajo a un objeto para acelerarlo, por ejemplo al golpear la pelota con una raqueta, la velocidad que adquiere puede realizar un trabajo deformndola al chocar contra una pared. Esta capacidad que adquieren los objetos que les permite realizar un trabajo, o de una forma ms general producir cambios en el entorno. Es lo que se conoce como energa.

792 CCOO FORMACINSi una masa posee energa en virtud a su posicin o su estado, en espera de ser utilizada se llama energa potencial. Por ejemplo un muelle comprimido, un arco tensado o una masa situada a una determinada altura respecto al suelo. En este ultimo ejemplo, como el trabajo realizado es contra la fuerza de la gravedad a esta energa se denomina energa potencia gravitacional y vale:

Donde m es la masa (kg), g la aceleracin de la gravedad2 (9,81 m/s2) y h la altura en metros. Esta energa se mide en Julios (J).

EP = m g h

2

Si dejamos caer un cuerpo libremente desde una altura h, ste a causa de su peso experimenta una aceleracin constante debida a la fuerza de gravedad terrestre, el valor de dicha aceleracin es g = 9,8 m/s2. Se deduce que la distancia recorrida por un cuerpo en cada libre es igual a (1/2)gt2 (Ver Apndice I)


Mismo trabajo igual energa

Como se observa en la figura, la energa potencial de una masa de 10 kg situada a una altura de 2 m. del suelo, es aproximadamente igual a 200 J. (EP = 10 Kg. 9,81 m/s2 2 m.). El trabajo realizado no depende del camino seguido para llevarla ah, lo nico que vara es que si recorremos una distancia ms corta mayor ser la fuerza a realizar y viceversa. As para el camino (a) hemos hecho una fuerza de 33,33 N (F = 200 J. / 6 m) y en cambio en el (b) la fuerza ha sido de 66,67 N (F = 200 J. / 3 m), el doble.

El trabajo realizado sobre una masa m para que adquiera una rapidez v se almacena en forma de energa cintica, y vale:

As, el trabajo aplicado sobre un cuerpo sin variar su altura, es igual a la variacin de su energa cintica, lo que es lo mismo, un aumento de la energa cintica de una masa implica que hemos realizado un trabajo, que ha llevado consigo un aumento de velocidad. Si ahora se produce una disminucin de velocidad, la energa cintica se habr reducido, y la masa ha realizado un trabajo sobre otro cuerpo o se ha transformado en otro tipo de energa, por ejemplo elevar su altura.

794 CCOO FORMACIN2.2.3. Principio de conservacin de la energa

Hemos visto que si a un cuerpo le aplicamos un trabajo, ste se traducir en un aumento de su energa cintica o potencial, quedndose con una determinada velocidad y altura. Si con este nivel de energa se produjera una variacin del mismo, esto se traducira en un trabajo realizado por el sistema. ste trabajo liberado puede ser captado por otra forma de energa haciendo que se incremente la misma. Por lo tanto podemos decir que la variacin del trabajo aplicado sobre un cuerpo o sistema es igual a la variacin de la energa total del mismo: La ley de la conservacin de la energa mecnica establece que en la suma de la energa cintica ms la potencial permanece constante. La energa total de un sistema puede incluir otros tipos de energa distinta de la cintica y potencial, tales como la energa trmica o qumica, elctrica, etc., que al igual que la mecnica estos nuevos tipos de energa pueden sufrir cambios y modificaciones. Pero siempre se cumple la ley de conservacin de la energa total de un sistema, establece que la energa total que posee un sistema es igual a la energa absorbida, menos la energa cedida.

Conservacin de la energa en una jabalina

Cuando el lanzador suelta una jabalina, el trabajo realizado por los msculos del atleta se transforma, si despreciamos el rozamiento del aire, en una energa potencial (altura) y una energa cintica (velocidad) que posee la jabalina. La suma permanece constante a lo largo de su recorrido.


2.2.4. Potencia

La potencia es la energa o trabajo intercambiado por unidad de tiempo:

Se mide en watios (W) que es igual a un Julio por segundo. Se una tambin: No debe confundirse trabajo o energa con potencia. Por ejemplo, un coche aumenta su energa cintica o potencial (caso de subir una cuesta) mediante la transformacin de la energa qumica del combustible. El vehculo tendr ms potencia cuanto ms rpido sea esta transformacin. Para aumentar la potencia no debemos aumentar la energa qumica ponindole ms combustible, sino que debemos aumentar el ritmo de transformacin de esta energa, lo cual se consigue aumentando el nmero o tamao de los cilindros del motor o aumentando la velocidad de giro del mismo. Caballo de Vapor (CV) = 735,5 W

Potencia consumida en el gimnasioEn una bicicleta elptica se he consumido 1.500 KJ en 30 minutos. Esta energa es equivalente al trabajo empleado para subir una masa de 100 kilos a una altura de 1529 metros: W = EP = mgh = 100 Kg 9,81 m/s2 1529 m = 1.500 KJ Pero la misma energa gastaremos si tardamos 45 minutos como si tardamos 20 minutos. Lo que pasa es que en el primer caso necesitas desarrollar una potencia de: Y en el segundo:

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Resumen de conceptos La rapidez es la relacin entre la distancia recorrida en la unidad de tiempo. La velocidad es la rapidez junto con la direccin y sentido del desplazamiento. La velocidad es constante solo cuando la rapidez, la direccin y el sentido son constantes, La aceleracin es la variacin de la velocidad con el tiempo. Un objeto se acelera cuando su rapidez aumenta, cuando su rapidez disminuye o cuando la direccin y sentido cambia. Una fuerza es una accin que cambia el estado de movimiento de una masa La aceleracin de un objeto es directamente proporcional a la fuerza resultante que se ejerce sobre l e inversamente proporcional a la masa del cuerpo. La aceleracin tiene la misma direccin que la fuerza resultante. Cuando un cuerpo se desplaza con velocidad constante mientras se le aplica una fuerza dicha fuerza debe estar equilibrada por otra de igual magnitud y direccin, pero sentido contrario. El trabajo realizado por una fuerza es igual a la fuerza por la distancia recorrida por el objeto. La energa que tiene un objeto es la capacidad de realizar un trabajo. La energa mecnica de un objeto se debe a su movimiento (energa cintica) o a su posicin (energa potencial). La ley de conservacin de la energa establece que el trabajo aplicado a un sistema se transforma en energa la cual se conserva o se transforma de una forma a otra. La potencia es la variacin con que se realiza un trabajo.

3. CARACTERSTICAS DE LOS FLUIDOS

Yo creo que tenemos un conocimiento peor sobre lo que sucede en un milmetro cbico de agua, que sobre lo que ocurre en el interior del ncleo atmico

Uriel Frisch, fsico contemporneo.

La materia, en condiciones habituales de presin y temperatura, se presenta en tres estados de agregacin, lquido, gaseoso o slido. Con solo observar un slido vemos que tiene una forma y un volumen definidos, mientras que un lquido conserva su volumen adoptando la forma del reci-

3.1. Concepto de fluido


piente que lo contiene, y mostrando una superficie libre. En cambio un gas no tiene ni forma ni volumen propio. La diferencia entre los estados de la materia se debe a las fuerzas de cohesin interna de las molculas, caractersticas de cada sustancia.

Podemos justificar este comportamiento, recordaremos brevemente como es la estructura atmico-molecular de la materia. Los objetos que forman parte del universo estn constituidos por lo que se conoce como materia. Esta se puede dividir en pequeas porciones hasta llegar a una porcin mnima, que se conoce como molculas, que es la ms pequea partcula de un cuerpo que conserva las mismas propiedades que ste. Una molcula esta formada por una serie de partes ms pequeas denominadas tomos. Si los tomos que forman una molcula son iguales, a la sustancia se le conoce como cuerpo simple (elemento) si por el contrario los tomos son distintos lo llamamos cuerpo compuesto. El tomo es la partcula ms pequea de un cuerpo simple y su estructura esta formada por una parte central que se llama ncleo. En l esta concentrada la mayor parte de la masa del tomo. Contiene protones (partculas elctricamente positivas) y neutrones (partculas elctricamente neutras). Alrededor de este ncleo giran una o ms partculas ms pequeas, con cargas elctricas negativas llamadas electrones. Los electrones se mueven alrededor del ncleo y estn ligados a ste por fuerzas de naturaleza nuclear. Pero tambin existen Las fuerzas de atraccin entre las molculas que forman la materia. Para el caso de un slido son tan grandes que ste tiende a mantener su forma, pero ste no es

798 CCOO FORMACINel caso de los fluidos (lquidos y gases), donde la fuerza de atraccin entre las molculas es ms pequea. Una distincin entre slidos y fluidos queda establecida por su diferente respuesta frente a la accin de una fuerza: los slidos se deformarn mientras persista la misma, y recuperaran su forma primitiva total o parcialmente3 cuando cese este esfuerzo, debido a la existencia de una fuerza que se opone a la aplicada. Sin embargo, los fluidos fluirn por pequeo que sea el esfuerzo, es decir, cambiarn continuamente de forma, mientras persista dicho esfuerzo, ya que no presentan una fuerza que se oponga a la aplicada, lo que indica que no hay tendencia a recuperar la forma primitiva al cesar el esfuerzo aplicado.

3.2. Densidad

La densidad es la medida del grado de compactacin que tiene un fluido, es decir es la medida de cuanto material (masa) se encuentra contenida en espacio determinado (Volumen): Se mide el Kg/m3.

Si tenemos un metro cbico de agua (= 1000 Kg./m3), Qu ocurre con la densidad si lo repartimos en dos recipientes por la mitad?, La respuesta es nada, ya que ambos recipientes contendrn la misma masa (500 Kg), pero tambin ocuparn la mitad de volumen (0,5 m3). Pero, si tenemos un metro cbico de aire (= 1,21 Kg./m3) y lo comprimimos, el volumen disminuye sin variar la masa que lo contiene, por lo tanto la densidad aumenta. Al contrario si lo expandimos la densidad disminuye ya que la misma masa ocupa menos espacio.

Se denomina fluido incompresible aquel que mantiene constante la densidad al variar la presin a la que esta sometido, el agua es un ejemplo de este tipo de fluido.

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Si se supera el lmite elstico del material, el slido se queda con una deformacin permanente.


Se denomina densidad relativa al cociente entre la masa de una sustancia y la masa de un volumen igual de agua. Es decir:

Una sustancia que tenga una densidad relativa mayor que uno quiere decir que contiene mayor masa que el mismo volumen de agua, es decir que es ms pesada que el agua. Si es menor que uno la sustancia es ms ligera que el agua. Si en vez de la masa medimos el peso4 por unidad de volumen de la sustancia, a esta relacin se denomina peso especfico.

Se mide en N/m3.La constante g es la aceleracin de la gravedad y vale (9,81 m/s2). Sea un fluido en movimiento a travs de una superficie S, se dice que la misma es atravesada por un caudal msico (Qm), si relacionamos la masa de fluido que la atraviesa (m) por unidad de tiempo, se mide en Kg/s. Si consideramos el volumen de fluido (V) por unidad de tiempo, entonces se denomina caudal volumtrico (Qv). En este caso se mide en m3/s.

3.3. Caudal

Se demuestra que si r es la densidad del fluido y v la velocidad con que atraviesa la superficie se cumple: Qm = S v Qv = Sv

1 lpm = 1,6610-5 m3/s = 0,06 m3/h

1 m3 /h = 2,7710-4 m3/s

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No hay que confundir masa con peso, la masa es la cantidad de materia que tiene una sustancia, en cambio, el peso es la fuerza con que atrae la tierra a dicha masa, que es igual a mg. (Ver Apndice I)

800 CCOO FORMACIN

Caudal que atraviesa una superficieSea S una superficie que es atravesada por un fluido que lleva una velocidad v, al cabo de un tiempo t, si la superficie se moviera con el fluido se habra desplazado una distancia vt. Por lo tanto el caudal volumtrico que ha atravesado la superficie en este tiempo t ser igual a:

3.4. Presin

La presin se define como la fuerza por unidad de superficie.

Se mide en Pascales (Pa) que es igual a la presin ejercida por una fuerza de un newton sobre una superficie de un m2. 1 atm = 101, 325 kPa = 760 mm Hg = 10,32 m.c.a. = 14,7 psi 3.4.1. Definicin de presin esttica absoluta y manomtrica

Si en un punto de un fluido decimos que existe una presin esttica (P), significa que si colocamos una superficie S en dicho punto, aparecer una fuerza F perpendicular a la misma y de magnitud PS. Si el fluido esta en reposo, la fuerza que aparezca sobre dicha superficie es independiente de la orientacin de la misma respecto al punto.


La presin se puede medir respecto a cualquier base de referencia arbitrara, siendo las ms usadas el vaco y la presin atmosfrica local. Cuando una presin se expresa como una diferencia entre su valor real y el vaco hablamos de presin absoluta. Si la diferencia es respecto a la presin atmsfera local entonces se conoce por presin manomtrica.

802 CCOO FORMACIN

Bajo la pisada de un elefantePara comprobar el orden de magnitud de la fuerza debida a la presin esttica podemos hacer un sencillo experimento. Si colocamos un poco de agua en el interior de una lata de refresco vaca y la calentamos cuando vemos que sale vapor por el orificio superior la sacamos del fuego y la sumergimos en este barreo de agua, veremos que la lata queda completamente aplastada.

La explicacin esta en que nosotros vivimos en el fondo de un mar de aire, el peso de la atmsfera ejerce una presin de un kilogramo por cm2. Esto hace que en una superficie de un metro cuadrado aparezca una fuerza de nada menos que de 10 toneladas!, pero como la presin es igual en todas direcciones dentro de la lata la presin que hay en el interior y el exterior es la misma, estas se equilibran pero al calentar agua en el interior de la misma, el aire se sustituye por vapor de agua, cuando lo sumergimos en agua el vapor se condensa y disminuye la presin en el interior de la lata y como por fuera esta sometida a la presin atmosfrica sta se aplasta como si fuera pisada por un elefante.


3.4.2. Barmetros y manmetros

Los barmetros son instrumentos que miden presin absoluta es decir, comparar la presin existente respecto al vaco, en donde la presin es nula. Si medimos la diferencia de presin respecto a la presin atmosfrica, estamos calculando, como hemos visto, la presin manomtrica tomndose con signo ms, si la presin es superior a la atmosfrica y con signo menos, si la presin medida es inferior a la misma. Los aparatos que miden esta presin positiva se denominan manmetros y la negativa vacuometros, si miden ambas se llaman manovacuometros.

Tanto los barmetros como los manmetros, basan su funcionamiento en equilibrar la fuerza que aparece sobre una superficie S debida a la presin a medir (P), con la presin que se ejerce sobre la misma superficie el peso (W) de un volumen de fluido con un peso especifico (g), una altura h y base S. Por lo tanto la presin ser igual a5: P=h5

La deduccin de esta relacin la veremos en el apartado de hidrosttica.

804 CCOO FORMACINEl valor de h es lo que se conoce como altura de presin. As, en un barmetro sometido a una presin atmsfera normal de 101,325 kPa, el valor de h, depende del fluido que contenga el instrumento6:

En mecnica de fluidos siempre se mide la presin manomtrica. Los instrumentos medida utilizados no son manmetros que basan su funcionamiento en el peso de un fluido sino que se usan unos de tipo mecnico, conocidos como manmetros de tubo de Bourdon.Manmetro de BourdonEl tubo Bourdon es un tubo de seccin elptica que forma un anillo casi completo, cerrado por un extremo. Al aumentar la presin en el interior del tubo, ste tiende a enderezarse y el movimiento es transmitido a la aguja indicadora, por un sector dentado y un pin. Este tubo se encuentra dentro de una cmara que se encuentra sometida a la presin atmosfrica. Por lo tanto mide la presin manomtrica.

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El peso especifico del agua es 9810 N / m3 y para el mercurio 133416 N / m3


Manovacumetro y manmetros de tubo de Bourdon.

Por qu no se sale el agua del bebedero de los pjaros?La presin existente en el exterior es la equivalente a 10 metros de columna de agua, en cambio en el interior como esta el recipiente cerrado por arriba es y tan solo de unos pocos centmetros de columna de agua, por lo tanto mientras este tapado el recipiente por arriba el agua no se saldr.

3.4.3. Presin dinmica. Altura de velocidad

Si un fluido se encuentra en movimiento definimos la presin dinmica como:

Esta expresin que tiene unidades de presin es la energa cintica7 del fluido debida a la velocidad del fluido en su movimiento. La presin dinmi-

Donde es la densidad y v es la rapidez del fluido.

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Ver apartado 2.2.2. Trabajo y energa cintica y potencial.

806 CCOO FORMACINca no se manifiesta ejerciendo una fuerza sobre una superficie, como ocurre con la presin esttica, sino que es la energa por unidad de volumen que posee el fluido en movimiento. Dimensionalmente tiene unidades de presin, ya que expresa la energa cintica del fluido por unidad de volumen:

As pues, la presin dinmica no se puede medir con un manmetro, pues dichos instrumentos funcionan solamente con la presin esttica. Lo que si podemos hacer es que ya que dimensionalmente la presin dinmica tiene unidades de presin (Pa) y dichas unidades son equivalentes a una altura de un cilindro de un determinado fluido de peso especfico , podemos expresar la presin dinmica como una altura que denominaremos altura de velocidad (hv), pero solo a efectos de medida. As:


Un manmetro no marca presin dinmica

Es habitual en el lenguaje de los bomberos denominar presin dinmica8 a la que marca un manmetro cuando el agua que circula en una instalacin se encuentra en movimiento. Esta forma de expresarse no es correcta ya que el concepto tcnico de presin dinmica es el expuesto, lo que marca un manmetro en esa situacin es una presin esttica, la cual ha disminuido respecto a la que haba ya que parte de la energa, que posea el agua cuando estaba en reposo, se ha gastado en poner en movimiento el fluido.

Resumen de conceptos Un slido se deforma bajo la accin de una fuerza y recupera su forma primitiva total o parcialmente cuando cesa este esfuerzo. Un fluido cambiar continuamente de forma, mientras persista dicho esfuerzo, ya que, al contrario que los slidos, no presentan una fuerza que se oponga a la aplicada. La densidad () es la medida del grado de compactacin que tiene un fluido, es decir es la medida de cuanto material (masa) se encuentra contenida en espacio determinado (Volumen). Si medimos el peso por unidad de volumen se denomina peso especfico. El caudal msico (Qm), es la relacin entre la masa de fluido que la atraviesa una superficie por unidad de tiempo. Si consideramos el volumen de fluido por unidad de tiempo, entonces se denomina caudal volumtrico (Qv). Qm = Sv Qv = Sv

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En algunos textos la llaman presin residual.

808 CCOO FORMACIN

En un fluido decimos que existe una presin esttica en un punto, si aparece una fuerza (F) sobre cualquier superficie S colocada en dicho punto, perpendicular a la misma y de magnitud PS. La fuerza que aparece sobre dicha superficie es independiente de la orientacin de la misma respecto al punto. La presin esttica es igual a P = h donde es el peso especifico y ha la altura de presin.

Cuando una presin se expresa como una diferencia entre su valor real y el vaco hablamos de presin absoluta. Si la diferencia es respecto a la presin atmsfera local entonces se conoce por presin manomtrica. Los barmetros son instrumentos que miden presin absoluta. Un manmetro mide la presin manomtrica positiva, la negativa se miden con los denominados vacuometros. Los monovacuometros miden ambas. La presin dinmica es la energa cintica del fluido debida a su velocidad, no se manifiesta ejerciendo una fuerza sobre una superficie, como ocurre con la presin esttica, sino como una capacidad de producir trabajo del fluido en movimiento.

No hay que confundir presin dinmica con presin esttica (presin residual) que se manifiesta en un fluido en movimiento.

4. HIDROSTTICA

Arqumedes (287 - 212 a.C.)

Eureka! Eureka!

Lo ltimo que uno sabe, es por donde empezar. Blaise Pascal (1623-1661)

La mecnica de fluidos, es la parte de la fsica que se ocupa del estudio del comportamiento de los fluidos tanto en reposo como en movimiento, siendo el fundamento terico de las aplicaciones de ingeniera y las mquinas que utilizan los fluidos en su funcionamiento. El estudio de los fluidos puede subdividirse en dos campos principales: la esttica de fluidos, o hidrosttica, que

4.1. Introduccin


se ocupa de los fluidos en reposo, y la hidrodinmica se aplica al flujo de lquidos o al flujo de los gases a baja velocidad, en el que puede considerarse que el gas es esencialmente incompresible.

En este apartado estudiaramos la hidrosttica, centrndonos en dos principios fundamentales. El primero fue formulado por primera vez por el matemtico y filsofo francs Blaise Pascal en 1647, y se conoce como principio de Pascal. Dicha regla, que tiene aplicaciones muy importantes en hidrulica, afirma que la presin aplicada sobre un fluido contenido en un recipiente se transmite por igual en todas direcciones y a todas las partes del recipiente. El segundo principio fue denunciado por el matemtico y filsofo griego Arqumedes. El principio de Arqumedes afirma que todo cuerpo sumergido en un fluido, experimenta una fuerza hacia arriba igual al peso del volumen de fluido desplazado por dicho cuerpo.

4.2. Ley fundamental de la hidrosttica

Supongamos que tenemos un recipiente cilndrico que contiene agua y un bloque slido.

La presin que ejerce el bloque sobre la mesa ser igual al peso del bloque dividido por su rea de contacto:

810 CCOO FORMACINDe forma anloga, la presin que ejerce el lquido contra el fondo del mismo ser el peso del lquido dividido por el rea del fondo del recipiente9. El peso del liquido, y por tanto la presin que ejerce, depende de la densidad, ya que si consideramos dos recipientes idnticos, llenos por ejemplo de agua y de mercurio respectivamente, el mercurio es 13,6 veces ms denso que el agua por lo tanto la presin ser 13,6 veces mayor. Para los lquidos que tengan la misma densidad, la presin ser mayor cuanto ms profundo sea el recipiente. Consideremos dos recipientes:

Si el liquido del primer recipiente tiene una profundidad dos veces mayor que el liquido del segundo recipiente, entonces al igual que dos bloques colocados uno encima de otro, la presin del liquido en el fondo del segundo recipiente ser dos veces mayor que en el primer recipiente. Resulta, por lo tanto que la presin de un lquido en reposo depende solo de la densidad y de la profundidad del lquido, no de la forma del recipiente ni del tamao del fondo:

9

Suponemos que estamos midiendo presin manomtrica por lo que prescindimos de la presin atmosfrica adicional que aparece sobre la superficie del lquido.


A cierta profundidad h, el agua ejerce la misma presin contra cualquier superficie, sobre el fondo o sobre los costados del recipiente e incluso sobre la superficie de un objeto sumergido en el lquido a esa profundidad. Por lo tanto, la caracterstica fundamental de cualquier fluido en reposo es que la fuerza ejercida sobre cualquier superficie es la misma en todas direcciones. Si las fuerzas fueran desiguales, la superficie se desplazara en la direccin de la fuerza resultante. As que la presin que el fluido ejerce contra las paredes del recipiente que lo contiene, sea cual sea su forma, es perpendicular a la pared en cada punto. Si la presin no fuera perpendicular el fluido se movera a lo largo de la pared.

812 CCOO FORMACIN

Misma altura misma presinLa masa de una columna de agua de 30 cm. de altura y una seccin transversal de 6,5 cm2 es de 0,195 Kg., y la fuerza ejercida en el fondo ser el peso correspondiente a esa masa, es decir 2 N. Una columna de la misma altura pero con un dimetro 12 veces superior tendr un volumen 144 veces mayor, y pesar 144 veces ms, pero la presin, que es la fuerza por unidad de superficie, seguir siendo la misma, puesto que la superficie tambin ser 144 veces mayor.

As, la presin en el fondo de una tubera vertical llena de agua de 1 cm. de dimetro y 15 m de altura es la misma que en el fondo de un lago de 15 m de profundidad. De igual forma, si una tubera de 30 m de longitud se llena de agua y se inclina de modo que la parte superior est slo a 15 m en vertical por encima del fondo, el agua ejercer la misma presin sobre el fondo que en los casos anteriores, aunque la distancia a lo largo de la tubera sea mucho mayor que la altura de la tubera vertical.

Si consideramos el efecto de la presin atmosfrica sobre la superficie del recipiente con agua, la presin esttica absoluta una la profundidad h ser:


Si Patm es la presin atmosfrica g h ser la presin manomtrica, que se conoce tambin por nombre de altura de presin, ya que si tenemos una conduccin con agua y existe una presin absoluta P, si colocamos un tubo, tal como muestra la figura. El agua subir por el tubo, venciendo la presin atmosfrica, hasta una altura h, que ser igual al peso de la columna de agua. Donde : Peso especfico del agua y h es la altura en metros.EjemploEn la figura se representa un tanque de aceite con un lado abierto a la atmsfera y otro sellado en el que hay aire sobre aceite. Calcular la presin manomtrica en los puntos A, B, C, D, E y F, y la presin del aire en el lado derecho del tanque. (Peso especifico del aceite g = 8,83 kN/m3) PA = 0 (presin atmosfrica) PB = PA + HAB = 0 + 8,83 kN/m3 3 m = 26,5 kPa = 0,26 atm.

h: profundidad.

: Densidad (Kg/m3).

Patm: Presin sobre la superficie.

Pe = Patm + g h

g: aceleracin de la gravedad (9,81 m/s2).

P=h

PC = PB + HBC = 26,5 kPa + 8,83 kN/m3 3 m = 53 kPa = 0,52 atm.

PB = PD (D esta a la misma profundidad que B). PE = PF + HFE 0 = PF + HFE g PF = - HFE = 8,83 kN/m3 1,5 m = - 13,25 kPa = - 0,131 atm. La presin del aire es igual a PF, la cual tiene que ser negativa para que el aceite suba el nivel libre del lquido que se encuentra a la presin atmosfrica (cero manomtrica). Conclusiones: La presin se incrementa conforme aumenta la profundidad en el fluido. (PC > PB > PA). La presin vara de forma lineal con la profundidad o elevacin, es decir PC es dos veces ms grande que PB y C esta al doble de profundidad de B. La presin en el mismo nivel horizontal es la misma. PE = PA y PD = PB. La disminucin de presin de E a F ocurre porque el punto F est a una elevacin mayor que el punto E. El valor negativo de PF quiere decir que esta por debajo de la presin atmosfrica que existe en A y E. PE = PA = 0 (E esta a la misma profundidad que A).

814 CCOO FORMACIN

4.3. Principio de Pascal

Se ha visto que la presin esttica acta en todas las direcciones y que la presin que realiza un lquido sobre un recipiente, no depende de la cantidad de lquido, sino de la altura de este, siendo la direccin de la presin perpendicular a la superficie que esta en contacto con el fluido. Todas estas propiedades se resumen en lo que se conoce como principio de Pascal:

Esto significa que si por ejemplo tenemos una esfera con agujeros, si accionamos el pistn, el agua saldr por los distintos orificios, en direccin perpendicular a la superficie.

La presin aplicada a un lquido encerrado dentro de un recipiente se transmite por igual a todos los puntos del fluido y a las propias paredes del mismo.


El barril de PascalPascal realiz un experimento para demostrar su principio. Cogi un barril repleto de agua y coloco encima del mismo un tubo de gran longitud, pero de seccin muy pequea. Lo llen con tan solo un litro de agua y explot el barril debido a la gran presin que haba transmitido a su interior. Supongamos que tenemos un barril que tiene una tapa de 40 cm, y se encuentra lleno de agua. Sobre la misma colocamos un tubo de 16 mm. de dimetro y 5 m de altura y lo llenamos de agua. El volumen de agua en el tubo ser de un litro:

Luego sobre la superficie del tubo se esta ejerciendo una presin de:

Por lo tanto la fuerza que se ejerce sobre la tapa ser de

Mas de media tonelada!, suficiente para que la tapa del barril explote.

Una aplicacin del principio de Pascal es la denominada prensa hidrulica. Cuando se aplica una fuerza F1, al mbolo ms pequeo, la presin en el liquido (agua o aceite) aumenta el F1/A1, la cual se transmite en todas direcciones. Al llegar al mbolo ms grande, transmite al mismo una fuerza F2 que ser igual al incremento de presin por el rea A2:

816 CCOO FORMACIN

Si A2, es mucho mayor que A1, puede utilizarse una fuerza pequea F1, para ejercer otra mucho ms mayor F2, que permita levantar un peso considerable situado sobre el mbolo grande. Por ejemplo si la seccin A2 es veinte veces mayor que la A1, la fuerza F1 aplicada sobre el mbolo pequeo, se ve multiplicada por veinte en el mbolo grande.

La prensa hidrulica es un dispositivo que tiene varias aplicaciones tcnicas, Este tipo de mquina esta presente en diversos dispositivos, tales como, los gatos hidrulicos, las gras, los frenos de los coches o en las herramientas de excarcelacin (ver figura). Hay que hacer notar que como ocurre con toda mquina, sta intercambia trabajo y por lo tanto el desplazamiento del pistn pequeo es superior al grande, el cual se mover ms lento.


EjemploUn elevador hidrulico, tiene un mbolo mayor con un radio de 500 cm. y el menor de 20 cm. Que fuerza hay que aplicar al mbolo menor para elevar una masa de 1000 Kg? RA = 500 cm = 5,00 m RB = 20 cm = 0,20 m; masa = 1 000 Kg.; g = 9,8 m/s2 Superficie del mbolo mayor: SA = RA2 = p (5,00 m)2 = 78,5 m2 Superficie do mbolo menor: SB = RB2 = p (0,20 m)2 = 0,126 m2 Fuerza en el mbolo mayor: FA = m g = 1 000 Kg. 9,8 m/s2 = 9.800 N Fuerza en el mbolo menor: FB = PB SB = PA SB = (FA / SA) SB = 9 800 N / 78,5 m2 0,126 m2 = 15,7 N Con una fuerza de poco ms de kilo y medio somos capaces de elevar una tonelada.

Cuando un cuerpo se sumerge en un fluido, por ejemplo agua, vemos que experimenta una perdida de peso, es decir aparece una fuerza en sentido contrario a la gravedad que denominamos fuerza de flotacin o empuje. Esta propiedad se denomina flotabilidad.

4.4. Principio de Arqumedes

Cul es el origen de esta fuerza de flotacin? Consideremos un cilindro que pose un peso especfico y de altura a sumergido en agua (ver figura). Sobre la cara superior de este cuerpo, que tiene una superficie S, se esta ejerciendo una fuerza debida a la presin de: Sobre la cara inferior soportara una fuerza debida a la presin a una profundidad (h + a) FI = P2 S= agua (h + a) S FS = P1 S = (agua h) S

818 CCOO FORMACIN

Por lo tanto la fuerza que actan en la parte inferior del cilindro menos la acta en la parte de arriba es la fuerza de flotacin (E): Donde V es el volumen del cilindro. Por lo tanto la fuerza de flotacin es igual al peso del volumen de agua desalojada por el cuerpo, adems como no depende de la profundidad h, es igual a cualquier profundidad. Esto es lo que se conoce como principio de Arqumedes: Todo cuerpo sumergido en un fluido experimenta una fuerza hacia arriba igual al peso del volumen de fluido desplazado por dicho cuerpo. Por lo tanto: R = E Peso = agua V - c V = (agua - c ) V E = FI FS = (agua h) S - agua (h + a) S = agua a S = agua V

Si el peso especifico del cuerpo sumergido es mayor que el agua (agua< c), la fuerza resultante es negativa (R c) la fuerza es positiva (R>0) y el cuerpo sube a la superficie y flota.


Cmo medir la densidad de una corona de oro?Cuenta la leyenda que Hiern, rey de Siracusa en el siglo III a.C., hizo entrega a un orfebre cierta cantidad de oro para confeccionar una corona. Una vez terminado el trabajo, Hiern, desconfiado de la honradez del artesano, solicit a Arqumedes que, conservando la corona en su integridad, determinase si en efecto en la corona se haba empleado todo el oro entregado, ya que sospechaba que el artesano podra haberse guardado parte del oro que le haban entregado y haberlo sustituido por plata o cobre. El cobre y la plata eran ms ligeros que el oro. Si el orfebre hubiese aadido cualquiera de estos metales a la corona, ocuparan un espacio mayor que el de un peso equivalente de oro. El problema estriba en encontrar la densidad de la corona, cuyo volumen es desconocido y dada su forma irregular era difcil determinar. Preocupado Arqumedes por el problema, al que no encontraba solucin, pens darse un bao para relajarse. Al entrar su cuerpo en la baera cayo en la cuenta, que el agua se derramaba ya que l ocupaba un lugar que dejaba de ser ocupado por el agua, y adivin que la cantidad que haba disminuido su peso era precisamente lo que pesaba el agua que haba desalojado. Dando por resuelto el problema fue tal su excitacin que, desnudo como estaba, salt de la baera y se lanz por las calles de Siracusa al grito de Eureka! Eureka! (Lo encontr! Lo encontr!). Por lo tanto, si la corona se pesa primero en el aire y luego en el agua, la diferencia de peso ser igual al peso del volumen de agua desplazado, y este volumen es igual a la del objeto, si ste est totalmente sumergido.

Psumergido = m g Vdesplazado agua g = Paire - Vdesplazado gua Vdesplazado = Vcorona

Paire = m g

As puede determinarse fcilmente la densidad de la corona, dividiendo la masa dividida por su volumen.

Procedi entonces Arqumedes a pesar la corona en el aire y en el agua comprobando que en efecto, su densidad no corresponda a la del oro puro. El metal precioso de la corona haba sido mezclado con un metal ms ligero, lo cual le daba un volumen mayor. El rey orden ejecutar al orfebre

820 CCOO FORMACIN

EjemploUn globo de goma tiene 8 g de masa cuando est vaco. Para conseguir que se eleve se infla con gas ciudad. Sabiendo que la densidad del aire es de 1,29 Kg./m3 y la del gas ciudad 0,53 Kg./m3 determinar el volumen que, como mnimo, ha de alcanzar el globo para que comience a elevarse. Para que el globo inicie el ascenso, la fuerza del empuje ha de ser superior a la del peso (E > P). En virtud del principio de Arqumedes:

Ya que en este caso el fluido desalojado es el aire. Por otra parte, el peso P ser la suma del peso del globo ms el peso del gas ciudad que corresponde al volumen V, es decir:

E = aire V

Por tanto, para que empiece a flotar (E = P):

El volumen mnimo ser, por tanto, de 10,5 litros.

aire V = mglobo g + gas V

P = mglobo g + gas V

Resumen de conceptos La presin esttica: 1) Es perpendicular a cualquier superficie sobre la que acta. 2) Es igual en todas las direcciones. 3) La presin aplicada a un lquido encerrado dentro de un recipiente se transmite por igual a todos los puntos del fluido y a las propias paredes del mismo. (Principio de Pascal)


4) Es proporcional a la profundidad y al peso especfico del lquido. 5) La presin en el fondo de un recipiente es independiente del tamao y forma que lo contiene, siempre que tenga la misma altura. La flotabilidad es la prdida aparente de peso de un objeto sumergido en un fluido. Segn el principio de Arqumedes, todo cuerpo sumergido en un fluido experimenta una fuerza hacia arriba igual al peso del volumen de fluido desplazado por dicho cuerpo. Esta fuerza es independiente de la profundidad. Si un objeto tiene mayor densidad que el fluido en el que se encuentra inmerso, se hundir, si es igual permanece sin hundirse ni flotar, y si es menos denso flotar.

5. HIDRODINMICA

Mejor que de nuestro juicio, debemos fiarnos del clculo algebraico. Leonhard Euler (1707 - 1783)

El gran libro de la naturaleza siempre est abierto ante nuestros ojos y la verdadera filosofa est escrita en l... Pero no lo podemos leer a menos que hayamos aprendido primero el lenguaje y los caracteres con los cuales est escrito... Est escrito en lenguaje matemtico y los caracteres son tringulos, crculos y otras figuras geomtricas Los cientficos exploran lo que es; los ingenieros exploran lo que an no es Galileo Galilei (1564 - 1642)

Theodore von Karman, ingeniero aeronutico (1881 - 1963)

5.1. Introduccin

La hidrodinmica es la parte de la mecnica de fluidos se ocupa de las leyes o principios que rigen el comportamiento de los fluidos en movimiento, estas leyes son muy complejas, y aunque la hidrodinmica tiene una importancia prctica, para el trabajo del bombero, mayor que la hidrosttica, slo trataremos aqu los conceptos bsicos que nos ayuden a comprender los fenmenos que se producen en una instalacin de extincin.

822 CCOO FORMACINEl comportamiento de un fluido se encuentra bien definido, si por medio de una ecuacin matemtica somos capaces de definir la presin, la velocidad y la densidad que posee el fluido en cada punto. Por medio de una serie de herramientas matemticas se llega a una expresin muy compleja conocida como ecuacin de Navier-Stokes. Si esta ecuacin se resolviera podramos saber en cada momento la densidad, la presin y la densidad en el fluido con tan solo sustituir valores en la solucin de esta ecuacin. Pero como no tiene solucin hay que empezar a realizar simplificaciones en el comportamiento del fluido.

La segunda simplificacin es en cuanto a la viscosidad, es decir, que el fluido no posea rozamientos internos o contra las conducciones por la que circula. Si la viscosidad de un fluido se puede despreciar se dice que el flujo es no viscoso y si encima es incompresible, entonces es lo que se conoce como fluido ideal, en este caso la ecuacin de Navier Stokes, se resuelve y da la conocida ecuacin de Bernoulli.

La primera que se puede hacer es que el fluido sea incompresible, es decir que la densidad no vare a lo largo de su movimiento, esta simplificacin es aceptable para el agua a presiones en las que se trabaja en hidrulica y para el aire a velocidad por debajo de la mitad de la velocidad del sonido.

Si consideramos que la viscosidad del fluido no se puede despreciar, estamos ante el denominado flujo viscoso. Las consecuencias de considerar la viscosidad en un fluido es que la solucin de la ecuacin de Navier-Stokes, ya no sea tan sencilla. La aparicin de estas fuerzas de rozamiento interno, trae consigo que el fluido que circula por una conduccin, dependiendo de la velocidad, de la densidad, la viscosidad y las dimensiones de la tubera lo haga de dos maneras en el denominado rgimen laminar, en que el fluido circula en capas que se deslizan unas contra otras como los naipes en una baraja o en rgimen turbulento en el que aparecen remolinos donde es imposible distinguir los filetes fluidos.


El experimento de ReynoldsEn 1883, Osborne Reynolds (1842-1912) un fsico britnico observ que cuando el agua flua a travs de un tubo largo y se marcaba con tinta, a baja velocidad las partculas de tinta se difundan lentamente y no tenan tiempo de diseminarse. A este flujo lo llam laminar. Pero si se incrementa la velocidad por encima de un valor crtico, se observaba que a cierta distancia de la entrada del tubo se produca un repentino cambio, se produca un movimiento desordenado del filamento de tinta que llam movimiento turbulento.

Reynolds prob disminuir y aumentar la viscosidad del fluido, calentando y enfriando el agua respectivamente. Legando a la conclusin que en todos los casos existe una velocidad crtica, y que esta vara en proporcin directa con la viscosidad del flujo. Para saber en que rgimen nos estamos moviendo estableci el nmero de Reynolds:

Donde (r) es la densidad, V la velocidad, D el dimetro de la conduccin y (m) el coeficiente de viscosidad dinmica y (n) es el coeficiente de viscosidad cinemtica10. Para Re por debajo de 2000, el fluido fluye de manera laminar y por encima de 4000 fluye de manera turbulenta, existiendo un periodo de transicin en el que el flujo es difcil de delimitar si es turbulento o laminar. Por ejemplo, una manguera de 25 y de 45 mm de dimetro, por la que circule agua a 2,5 m/s, el rgimen ser claramente turbulento:

824 CCOO FORMACINPara superar las dificultades que representa emplear esta va terica en el estudio de los fluidos en movimiento, aparecen una serie disciplinas prcticas que estudian desde el punto de vista de la ingeniera el comportamiento de los fluidos. La hidrulica estudia desde el punto de vista prctico el movimiento de los lquidos, ya sea agua o aceite, a travs de una conduccin ya sea abierta (canal) o cerrada (tubera), los almacenamientos (depsitos o embalses), as como las mquinas, que se emplean para dar o extraer la energa que poseen estos fluidos debido al movimiento, conocidas como bombas o turbinas respectivamente. En los temas anteriores hemos definido los conceptos de presin, caudal y velocidad en un fluido, ahora consideraremos que se trata de agua circulando por una conduccin cerrada (manguera). Estos tres conceptos de relacionan mediante los siguientes principios: la ecuacin de continuidad, el principio de Bernoulli y la ecuacin de descarga. La ecuacin de continuidad nos relacionar la velocidad con el caudal que pasa por la seccin de una conduccin. El principio de Bernoulli nos muestra como varan las energas que dispone un fluido entre dos puntos de una instalacin y por ltimo, la de descarga nos permitir ver la dependencia entre la presin y el caudal o la velocidad de un fluido cuando atraviesa un orificio de descarga.Velocidad del agua por una instalacinEn la prctica la velocidad del agua dentro de una conduccin no supera los 2,5 m/s, ya que a velocidades mayores se producen perdidas de carga11 importantes en la misma. Esto limita el caudal que circula por una conduccin en funcin de su dimetro, as para los tres tipos de mangueras utilizadas en las instalaciones de extincin, el caudal mximo a trasegar sera: (mm.) 25 45 70 Qv = S V S (mm2) 490,90 1590 3848,36 Q (l.p.m.) 73 238 570

Estas limitaciones en cuanto al caudal a trasegar, son importantes en las instalaciones fijas de distribucin de agua, pero en el caso de las instalaciones de extincin, se pueden asumir velocidades mayores y por tanto mayores prdidas de carga: (mm.) 25 45 70 Qmax (l.p.m.) 200 500 1.000 V (m/s) 6,8 5,2 4,3


Sean dos superficies, S1 y S2, atravesadas por el agua a una velocidad v1 y v2 respectivamente.

5.2. Ecuacin de continuidad

Si suponemos que entre ambas superficies no existe ninguna aportacin o prdida de agua, el caudal msico que atraviesa la primera superficie es igual al que sale por la otra superficie12. Luego: S v = constante

Qm1= r S1 v1 = r S2 v2 = Qm2

Dnde, r es la densidad del fluido (Kg./m3), S es el rea (m2) y v la velocidad del fluido (m/s). S v = constante

La ecuacin de continuidad hace que cuando el agua, en una manguera, pasa de una seccin S1 hacia otra S2, tal que se produce un estrechamiento (S1 > S2), la velocidad aumenta (v1 < v2).Por qu se produce un atasco?Cuando por una autova de dos carriles con un limite de velocidad de 100 Km./h, se encuentra con un estrechamiento a causa de una obras, la circulacin pasa a un solo carril, bajando el limite de velocidad a 50 Km./h, comprobamos que se produce una retencin. Para evitar que se embotellaran los coches en el carril nico los vehculos debera circular a 200 Km. /h

Si consideramos que la densidad del fluido no vara entre las dos superficies, como en el caso del agua, tenemos la ecuacin de continuidad:

Esto no le pasa al agua, que no se comprime, es decir no se genera un atasco, ya que aumenta la velocidad en el estrechamiento.12

Recurdese que el caudal mximo es igual a la densidad multiplicada por la seccin de la conduccin y por la velocidad

826 CCOO FORMACIN

Ejemplo

Hallar la velocidad v2 en el ensanchamiento. Por la ecuacin de continuidad:

S1 v1 = S2 v2

Consideremos una manguera en carga con una presin P, situada a una altura geomtrica z y que circula el agua a una velocidad v.

5.3. Ecuacin de Bernoulli

Un elemento de agua de volumen V y masa (V) posee tres formas de energa por unidad de volumen:


Energa de presin, ser el trabajo (W) necesario para mover la masa del elemento a travs de la manguera una distancia L contra la presin P: Energa potencial: Energa cintica: Por lo tanto, el elemento tiene una energa total por unidad de volumen de: Si dividimos la anterior expresin por el peso especfico ( = g):

828 CCOO FORMACIN

Ahora consideramos que el elemento fluido se mueve entre la seccin 1 a la 2 de una manguera como la mostrada en la figura en que existe un cambio de seccin, por medio de una reduccin, y se salva un desnivel. El principio de conservacin de la energa considera que si no hay prdidas entre ambos elementos, se cumple que: Luego: sta es la conocida como ecuacin de Bernoulli13Altura geomtrica, piezomtrica y totalCada trmino de la ecuacin de Bernoulli es una forma de energa que posee el fluido por unidad de peso del fluido que se mueve en el sistema, en el caso que nos ocupa agua. Es decir se mide en Julios/Newton, que es igual a metros. Por lo tanto cada trmino representa una altura.

13

Fue deducida por el matemtico y fisico suizo Daniel Bernoulli (1700- 1782) en su obra Hydrodynamica de 1738. Para una deduccin ms rigurosa ver Apndice II.


El siguiente esquema muestra la relacin existente entre los tres tipos de energa conforme el fluido se desplaza desde 1 a 2, cada trmino cambia de valor, sin embargo la altura total permanece constante mientras no existan prdidas de carga.

A la suma de la altura geomtrica y la de presin se denomina comnmente altura piezomtrica

A qu altura llega un surtidor?Consideremos un surtidor de agua, en este caso la presin permanece constante toda la altura de velocidad a la salida se gasta en adquirir energa potencial. Si aplicamos la ecuacin de Bernoulli entre los puntos 1 y 2:

Como la velocidad en 2 se anula, ya que el agua es frenada por la fuerza de gravedad, la altura que llega el chorro de agua ser:

830 CCOO FORMACIN

Ejemplo:

Hallar la presin P2, sabiendo que v2 =2,16 m/s. (hallado anteriormente) Por la ecuacin de Bernoulli:

Sustituyendo valores

2 P2 =P1 + v12-v2 - (z2-z1)= 345 kPa + (72-2,162)m2/s2 - 1m = 36,428 m.c.a 9,81 kN/m3 2 9,81 m/s2 2 g

Que es igual a P1 = 9,81 kN/m3 36,428 m = 357,35 kPa = 3,6 Kg/cm2. Se observa, que la perdida de presin debida al aumento de la energa potencial es compensada por la ganancia de energa al frenar el agua en el estrechamiento, por lo tanto la presin prcticamente queda igual.


5.4. Ecuacin de descarga

Sea un depsito con un orificio inferior por el que se esta vaciando:

La velocidad con la que sale en lquido es igual: Donde:

A esta expresin se conoce como la ecuacin de Torricelli14 y se puede deducir aplicando Bernoulli entre los puntos 1 y 2, antes y despus del orificio. La velocidad en 1 se puede considerar nula, ya que consideramos que h es lo suficientemente grande y la presin en 2 es la atmosfrica por lo tanto la presin manomtrica, ser nula, as: Por lo tanto el caudal que sale por el orificio ser: Q: Caudal. Q=KSv S: Seccin del orificio.

v: velocidad. g: aceleracin de la gravedad (9,81 m/s2). h: altura.

14

Fue deducida por primera vez por el matemtico y fsico italiano Evangelista Torricelli (1608-1647). Se considera que el flujo se estrecha al pasar por el orificio de salida y por tanto no cubre toda la seccin.

15

832 CCOO FORMACINK: es un factor que tiene en cuenta la astriccin que sufre el fluido en su salida. v: velocidad de descarga. Aplicado el valor de v, queda: Por lo tanto el caudal es proporcional a la seccin de salida y a la raz cuadrada de la presin antes de la salida del orificio. A esta expresin se le conoce como ecuacin de descarga.Cul es la velocidad de salida del agua en una lanza?

La lanza16 es un aparato hidrulico que situamos al final de una manguera para conseguir que el agua salga con gran velocidad y llegue ms lejos. El dispositivo posee un estrechamiento en el que se transforma la energa de presin que posee el fluido en velocidad. Suponemos que no consideramos las prdidas de carga, aplicamos Bernoulli entre los puntos 1 y 2, teniendo en cuenta que la presin en P2 ser nula y v1 es muy pequea comparado con v2:

Sale de nuevo la ecuacin de Torricelli.

16

Ver apartado 7.2.- Principios de funcionamiento de una lanza.


Para ver el orden de magnitud de esta velocidad de salida (v2), supongamos que por la conduccin circula agua con una velocidad (v1) de 2 m/s a una presin (P1) de 7,6 bares (7699 hPa). Esto se traduce en una velocidad a la salida (v2) de aproximadamente 40 m/s, en efecto:

En la prctica ser menor ya que no hemos tenido en cuanta las perdidas de carga dentro del dispositivo. Este ejemplo nos muestra que el valor de la altura de presin es muchsimo mayor que el de la altura de velocidad. As el caudal que esta dando la lanza es igual a:

5.5. Ecuacin general de la energa

Aunque la ecuacin de Bernoulli es aplicable a una gran cantidad de casos prcticos, tiene unas limitaciones que debemos tener en cuenta si queremos aplicarla correctamente: 1. Solo es vlida para fluidos incompresibles, como el caso del agua a las presiones que estamos considerando. 2. Durante el recorrido de la instalacin no deben haber dispositivos (bombas o turbinas) que aadan o extraigan energa del agua, ya que la ecuacin se ha deducido partiendo de que la energa permanece constante a lo largo de la instalacin.

3. No se ha considerado que exista una transferencia de calor hacia el agua o fuera de la misma. Este punto en el caso de las instalaciones hidrulicas de extincin que nos ocupa, se cumplir siempre. A pesar de estas restricciones, la ecuacin de Bernoulli se puede aplicar en un sinfn de casos prcticos con un cierto grado de aproximacin. 4. Que no existen prdidas de energa por friccin con los elementos de la instalacin.

834 CCOO FORMACINCuando haya que considerar las limitaciones anteriores, entonces hay que aplicar lo que se conoce como la ecuacin de la energa que es una generalizacin de la ecuacin de Bernoulli:

E1 y E2 son la energa total que tiene el fluido en las posiciones 1 y 2. h B es la energa aadida por la bomba Como:

h L es la energa disipada en la instalacin, es decir las prdidas de carga.

h M es la energa cedida a un motor hidrulico (turbobomba, ventilador, etc.)

Podemos escribir la ecuacin de la energa como:

Esta ecuacin la emplearemos cuando analicemos lo que se conoce como ecuacin de lnea de una instalacin hidrulica.


Resumen de conceptosEcuacin de continuidad Ecuacin de Bernoulli S V = constante

Ecuacin de Torricelli Ecuacin de descarga Ecuacin de la energa

6. BOMBAS CENTRFUGAS

Las bombas son las mquinas ms usadas y las ms tiles de todas las mquinas hidrulicas Henri Pitot (1695 1771)

6.1. Introduccin

Una bomba es un ejemplo de lo que se entiende por mquina de fluido, que es cualquier dispositivo que intercambie energa mecnica con un fluido que la atraviesa. Las mquinas de fluido se clasifican en funcin de la compresibilidad del fluido en:

La norma UNE EN 1028-1:2006 define bomba centrfuga contra incendios, como aquella mquina hidrulica accionada mecnicamente destinada al suministro de fluidos con objeto de luchar contra los incendios, es decir es una mquina, por lo tanto transforma energa, en este caso mecnica en hidrulica. Su misin es proporcionar agua a la presin necesaria para que pueda circular por las mangueras, salvar los desniveles que puedan existir entre la bomba y el incendio y llagar a la lanza con la presin suficiente para que el fluido alcance una distancia determinada y as, poder trabajar con seguridad.

836 CCOO FORMACINMquinas hidrulicas en las que el intercambio de energa se produce con un fluido incompresible. A este grupo pertenecen las mquinas que trabajan con lquidos, como el agua, pero se pueden incluir las que trabajan con gases a velocidades bajas, como por ejemplo en los ventiladores. Mquinas trmicas en las que el intercambio de energa se realiza con un con fluidos compresibles, A este grupo pertenecen los motores de combustin interna, las turbinas de vapor, etc. Este tipo de mquinas no son objeto de nuestro tema.

Si el fluido incrementa su energa, la mquina se denomina generadora, ejemplos de este tipo son los compresores de aire o las bombas hidrulicas. Por el contrario si la energa del fluido disminuye, la mquina se denomina motora, como pueden ser las turbinas hidrulicas, las turbobombas o los motores de explosin. Atendiendo al tipo de energa que se intercambia con el fluido que atraviesa las mquinas hidrulicas pueden ser de distintas formas:

Si nos atenemos a las mquinas hidrulicas generadoras (bombas) que intercambian energa de presin, podemos encontrar, segn como intercambian la misma dentro de la mquina, a dos tipos de bombas: las de desplazamiento y las turbomquinas.


Bombas de desplazamiento: basan su funcionamiento en aplicar una fuerza (o par si son rotativas) de una cmara de trabajo y su posterior vaciado de una manera peridica. El aumento de la energa del fluido se efecta directamente en forma de energa de presin. Son por ejemplo las bombas de pistn, las bombas peristlticas, las bombas de membrana o de diafragma.Bomba de pistn aspirante-impelente contra incendiosEl funcionamiento de una bomba de pistn aspirante es el siguiente al tirar de E, sube el pistn C por el cilindro B. La vlvula l esta abierta y d cerrada, luego la parte inferior del cilindro se llena del agua, mientras la superior expulsa el agua por F. Cuando se empuja de E baja el pistn C cerrando l y abriendo d dejando pasar el agua a la parte superior del cilindro. En la bomba aspirante-impelente, no hay vlvula en d solo se encuentra en l y M. Al subir el pistn C se abre l y entra el agua. Al bajar C la vlvula l se cierra y se abre M empujando el agua hacia el caldern K. Este es un dispositivo que mantiene el agua a presin para conseguir que salga con velocidad constante por s Las primeras bombas utilizadas por lo bomberos fueron de este tipo, hoy estn en desuso salvo para aplicaciones muy concretas, como las bombas de los equipos de excarcelacin. (Circuitos hidrulicos de potencia)

Bomba aspirante-impelente contra incendios de accin manual (siglo XVIII)Este tipo de bomba fue muy popular durante los siglos XVIII y XIX, primero mediante accionamiento manual y posteriormente con ayuda de una mquina de vapor. El movimiento alternado de dos pistones de sendas bombas aspirantes impelentes, permita tener lleno el caldern presurizado con aire O, que empujaba el agua a presin por P hacia la manguera Q.

838 CCOO FORMACINTurbomquinas: basan su funcionamiento en incrementar la energa cintica del fluido a costa de energa mecnica que se intercambia en un elemento denominado rodete o impulsor para luego transformar este exceso de energa cintica en presin dentro del cuerpo mismo de la bomba. Este tipo de bomba es la universalmente usada por los bomberos en los vehculos de extincin o en las motobombas de achique. Segn la trayectoria que realiza el fluido en su interior, las turbomquinas se pueden dividir en:

La presin que da una bomba est en relacin inversa al caudal que circula por la misma, as para bombas que dan un caudal alto proporciona una presin baja y viceversa. Esto es lo que expresa la relacin H/Q. Las bombas instaladas en los vehculos son las ms indicadas para el transvase de caudales moderados y alturas notables, por eso tienen una relacin H/Q alta. Por otro lado las motobombas de achique proporcionan altos caudales pero con una presin baja, tiene un H/Q intermedio.


6.2. Elementos y principio de funcionamiento de una bomba centrfuga

El funcionamiento de una bomba centrfuga es el siguiente: el agua entra axialmente por el centro de un elemento mvil denominado rodete o impulsor, el cual est girando accionado por el motor. El rodete dispone de unas canalizaciones denominadas labes por las que el agua es canalizada desde el centro hasta su borde, donde es expulsada. Durante este trayecto el fluido es acelerado por la fuerza centrifuga generada en el rodete17.El agua sale del mismo con presin y velocidad. A continuacin entra en una canalizacin18 en forma de espiral que rodea al rodete, es la voluta o caracol. El fluido que entra en esta conduccin a gran velocidad es frenado por el progresivo aumento de su seccin, tal como establece la ecuacin de continuidad y por el principio de Bernoulli, incrementando la presin, que tena a la salida del rodete, hasta un valor concreto en el colector de impulsin.

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Sobre los principios fsicos producidos en el rodete ver Apndice IV. Algunas bombas a la salida del rodete disponen de lo que se conoce como difusor, cuya misin es canalizar el agua a la salida del rodete hacia la voluta, evitando turbulencias. Se usa en las bombas de alta potencia utilizadas en los sistemas de distribucin de agua fijos.

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Fuerza centrpeta o centrfuga?Para entender como vara la velocidad del agua dentro del rodete hay que describir el funcionamiento de en un sistema rgido en movimiento circular. Cuando tenemos un cuerpo girando respecto a un centro de rotacin, podemos distinguir dos tipos de rapidez: la angular y la lineal. La rapidez angular es el nmero de rotaciones por unidad de tiempo que posee el cuerpo. La rapidez lineal o tangencial es el espacio recorrido por un punto del cuerpo por unidad de tiempo. La rapidez angular es la misma para todos los puntos, pero la rapidez lineal varia de un punto a otro, si nos fijamos en un disco que gira, un punto del borde exterior recorre una distancia mayor que un punto cercano al centro en el mismo tiempo, luego tendr mayor rapidez lineal. Por lo tanto el agua al entrar por el centro del rodete posee un rapidez lineal pequea comparada con la que tiene a la salida, es decir se habr acelerado, por la segunda ley de Newton debe existir una fuerza responsable de esta aceleracin, es la denominada fuerza centrpeta que es ejercida por el rodete sobre el agua. Nuestra apreciacin de la naturaleza depende del sistema de referencia utilizado, as por ejemplo, si estamos sentados en un vagn de tren tenemos la sensacin de estar en reposo respecto al suelo del mismo, pero en relacin con las vas vamos a gran velocidad. Por este motivo la fuerza centrpeta es la responsable de la aceleracin del agua para un observador exterior al rodete, pero si estuviramos circulando dentro del flujo de agua, detectaramos una fuerza que nos empujara hacia el exterior del rodete, a esta fuerza es la que conocemos como fuerza centrfuga.

La bomba, as descrita, corresponde a una bomba centrfuga de un solo rodete. Si a la salida se conecta otro rodete (acoplamiento en serie), haremos que el agua aumente ms su presin. Atendiendo a la presin que pueden suministrar las bombas se clasifican en: Bomba de Presin Normal (FPN) son aquellas que con uno o varios rodetes, son capaces de dar presiones de funcionamiento hasta 20 bares y Bomba de Alta Presin (FPH) es una bomba que da hasta 54,5 bares. Se denomina Bomba de Presin Combinada a aquella que agrupa las dos clases de bomba en una sola mquina. Esto se consigue haciendo rodar sobre el mismo eje dos bombas conectadas en serie, que nos dan las dos gamas de presin alta y normal. En una bomba centrfuga contra incendios podemos distinguir las siguientes partes: Colectores de aspiracin, desde donde se alimenta la bomba desde un deposito o por aspiracin a travs de un mangote, cuerpo


de la bomba, colectores de impulsin donde se conectan las mangueras y los elementos auxiliares, tales como los manmetros, el cebador, vlvulas, racores, etc.

Las bombas destinadas para los servicios de bomberos pueden ir instaladas o bien en vehculos contra incendios o en grupos motobombas. En el primer caso es accionada por la energa motriz del motor del vehculo y en el caso de las motobombas, la bomba dispone de un motor elctrico o de explosin para su accionamiento.

842 CCOO FORMACIN 6.3. Curvas caractersticas de una bomba

La presin medida en el colector de impulsin de una bomba, se denomina altura de impulsin y se expresa en metros de columna de agua (m.c.a.). Se conoce como altura de aspiracin manomtrica, a la presin efectiva existente en el colector de aspiracin de la bomba, la cual se ver ms adelante, no debe superar un determinado valor ya que se produce el fenmeno de la cavitacin.

La altura de impulsin (H) se puede medir fcilmente, ya que a la entrada y salida de la bomba la velocidad prcticamente no vara y no existe diferencia de cota entre la entrada y la salida. Se puede aplicar la ecuacin de Bernoulli, entre los puntos A y B: Se denomina potencia hidrulica del fluido a la salida de la bomba a la expresin: Ph = H Q

Donde es el peso especfico del fluido, H es su presin en metros de columna de agua y Q es el caudal en metros cbicos por segundo que circula por la bomba.

Esta potencia es la energa que posee el fluido por unidad de tiempo y se expresa en vatios. Si tenemos una bomba acoplada a un motor que gira a N revoluciones por minuto, la potencia mecnica (Pm) del motor es constante,


si no se varan las revoluciones, una fraccin de la potencia mecnica se transformar en potencia hidrulica19, por lo tanto, si la instalacin alimentada por esta bomba demanda ms agua, por ejemplo se abre una lanza aumentando el caudal Q, como no hemos variado N, Pm es constante, por lo tanto tambin lo ser Ph luego H debe disminuir. As pues, la presin que existe a la salida de una bomba funcionando con un nmero de revoluciones (N) fijo disminuye a medida que aumenta el caudal que circula por la bomba.No se puede hacer el doble de trabajo con el mismo personal!Una bomba est trasegando 200 lpm. (0,00332 m3/s) de agua a una presin de 10 Kg./cm2 (100 mca), quiere decir que el fluido posee una potencia de:

Ph = 9810 N/m3 0,00332 m3/s 100 m = 3.257 W W = P t = 3.257 W 60 s ~ 196.200 Julios

Luego en un minuto ha sido necesario darle al fluido un trabajo de:

Si nos fijamos ste es el trabajo que tendramos que desarrollar para subir 200 litros de agua a 100 metros:

W = Ep = mgh = 200 Kg. 9.81 m/s2 100 m = 196.200 Julios Pmec = 3.257 W = Ph = 9810 N/m3 0,00664 m3/s h

Este trabajo lo ha realizado el motor del vehculo. Supongamos ahora que la instalacin demanda a la bomba 400 litros por minuto. Qu presin nos dar la bomba si no no hemos cambiado la velocidad de giro del motor?

Despejando sale aproximadamente h igual a 50 metros. Esto es como si tenemos un nmero determinado de personas con las que hemos sido capaces de subir 200 litros de agua a 100 metros en un minuto. Ahora sin aumentar el nmero de personas tenemos que subir 400 litros a 100 metros en un minuto. No podremos, llegaremos a la mitad. No se puede hacer el doble de trabajo con el mismo personal!

Los fabricantes de las bombas nos proporcionan la relacin entre el caudal que circula por la bomba y la presin, as como la potencia en funcin del caudal, por medio de una grfica obtenida por medidas realizadas en un banco de ensayo. Esta serie de curvas, denominadas curvas caractersticas, nos muestran la capacidad de la bomba para generar energa hidrulica y tambin nos permitir elegir que tipo de bomba es adecuada en nuestra instalacin.

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A esta fraccin entre la potencia hidrulica y la potencia mecnica expresada en tanto por cien se le denomina rendimiento () el cual tambin vara con el caudal. Se cumple Ph = ( /100) Pm.

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El significado de la curva altura-caudal es que la bomba girando con N revoluciones, solo podr proporcionar los valores de presin y caudal contenidos en la curva correspondiente. Esto suceder siempre que N no vare, puesto que si esto ocurre la curva se desplazar hacia arriba, si aumenta N o hacia abajo en el caso que disminuya. Por lo tanto, un aumento de las revoluciones, implica que para un mismo caudal, la bomba dar ms presin. Por otro lado, la curva potencia-caudal siempre es creciente con el caudal.Potencia mecnica y par motorLa potencia (Pm) de un motor de explosin, tambin conocida como potencia al freno, es la capacidad de un motor dado de suministrar energa a una carga. El motor produce energa durante cada uno de los ciclos de explosin, si es de cuatro tiempos una vez cada revolucin, por ello resulta evidente que la potencia que entrega un motor crece conforme aumenta el nmero de revoluciones por segundo (N). Un motor cuyo mando de aceleracin se mantiene a rgimen de ralent, no suministra ninguna energa a la carga; la energa que se extrae del combustible quemado se emplea en vencer los rozamientos de los mecanismos necesarios para que el motor funcione, por lo que la casi totalidad de la energa termina al fin convertida en calor. Al aumentar el paso de combustible, la energa que se produce en cada ciclo o explosin aumenta, con lo cual una vez vencidas las resistencias de rozamiento el motor ya es capaz de entregar energa a la carga. Un exceso de energa permite que el motor gire ms rpidamente, por ello un motor es capaz de suministrar ms potencia, conforme se incrementa su velocidad de giro. El par motor (M) es la fuerza de torsin que el eje del motor trasmite a la carga. El par motor, en funcin de las revoluciones del motor, se expresa en newton por metro (Nm).


La potencia Pm (kW) es igual el par motor M (Nm) por el nmero de revoluciones por minuto (N) y dividiendo por 10.000.

Un ejemplo prctico para comprender la diferencia entre par motor y potencia lo podemos observar en los pedales de una bicicleta; en donde el motor sera la persona que pedalea, y el par motor, en ese caso, la fuerza que se ejerce sobre los pedales multiplicado por la distancia. Si por ejemplo, la persona conduce su bicicleta a una determinada velocidad fija, digamos unos 15 km/h, en un pin grande, dando 30 pedaleadas por minuto; estara generando una potencia determinada; y si cambia a un pin pequeo, y reduce a 15 las pedaleadas por minuto, estara generando la misma potencia, pero el doble de par; pues deber hacer el doble de fuerza con cada pedaleada para mantener la velocidad de 15 km/h.

6.4. Altura de aspiracin

Cuando una bomba aspira del depsito del vehculo, el agua entra por gravedad en la bomba con una presin manomtrica positiva, pero si la alimentacin se tiene que realizar desde un pozo o balsa que se encuentran en una cota inferior a la situacin de la bomba. Para que se produzca la entrada de agua, la presin en el colector de aspiracin debe ser menor que la atmosfrica, as el agua subir por el mangote, como sube un refresco al chupar por una caita. Dado que a una atmsfera le corresponde una la altura de presin que ronda los 10 m., esta sera la altura terica mxima que podramos aspirar, pero en la prctica debido a los factores que sealaremos a continuacin, este lmite se reduce a una altura comprendida entre 7 y 6 m.

En efecto, la altura de aspiracin de una bomba depende de:

La presin atmosfrica, ya que la misma disminuye con la altitud respecto al nivel del mar desde donde estemos aspirando. Se estima una prdida de unos 0,13 m. por cada 100 m. de altitud.

846 CCOO FORMACIN El aumento de la temperatura del fluido hace disminuir la altura de aspiracin, ya que al aumentar la presin de vapor del mismo, se produce una mayor evaporacin de fluido y, consecuentemente, se produce un aumento de presin en el colector de aspiracin20.

Adems, en la toma de aspiracin de una bomba se puede producir un fenmeno no deseable, para su correcto funcionamiento, denominado cavitacin. Esta consiste en la evaporacin del fluido circulante por la bomba a temperaturas muy inferiores a la de ebullicin del mismo como consecuencia del descenso de la presin en el lquido, ya que si desciende a la presin de vapor a esa temperatura, entrar en ebullicin. La cavitacin puede generar averas mecnicas en la bomba, hacer que descienda el caudal en la misma y propicie la corrosin de los materiales. Para evitar este fenmeno, hay que dimensionar bien la altura de aspiracin22.Presin de vaporCuando tenemos una sustancia a una temperatura T, dentro de un recipiente parcialmente lleno y cerrado. Algunas molculas de la fase liquida poseen suficiente energa para escaparse de la superficie del lquido, es decir se evaporara. Al no poder dispersarse las molculas que forman la fase vapor, algunas de ellas, pueden retornan a la fase lquida. Se origina una situacin de equilibrio entre las molculas que escapan del agua y las que vuelven a la misma. En estas condiciones, la fase vapor ejerce una cierta presin sobre la superficie del lquido. A esta presin se le denomina presin de vapor del lquido a la temperatura T.

Las perdidas de carga21 en el mangote hacen que al aumentar el caudal o al disminuir su seccin, se reduzca la altura de aspiracin.

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Experimentalmente se comprueba que para una temperatura del agua comprendida entre 15 y 20 C supone una prdida de altura de 0,20 m. El agua a 10 C implica una prdida de 0,125 m y a 50 C de 1,25 m. Ver apartado 7.2. Prdidas de carga. Ver Apndice V.

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Si variamos la temperatura el equilibrio se producir a otra presin. Si representamos en una grfica la curva presin frente a temperatura, surge la conocida como Curva de equilibrio de ClaiusClapeyron. Toda combinacin de presin y temperatura que se encuentre sobre la curva coexistirn las dos fases en equilibrio, por encima existir solo la fase lquida y por debajo solo la de vapor. La curva termina en un punto denominado Punto crtico (PC), que es la temperatura y presin a partir de la cual una sustancia no puede permanecer en equilibrio liquido- vapor, a partir de este punto la sustancia se denomina gas. Se define como temperatura de ebullicin de una sustancia, aquella en que la presin de vapor es igual a una atmsfera. Si una sustancia se encuentra a la presin de una atmsfera, pero a una temperatura por debajo de la de ebullicin (TB), se encontrar en fase lquida (A). Si bajamos su presin hasta que corte a la curva de equilibrio (B), la presin de vapor (PB) obligar al lquido a evaporarse, entrando en ebullicin a una temperatura inferior a la normal. Este es el fenmeno que se produce durante la cavitacin.

Agua hirviendo a 25 grados.

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Colocamos un vaso lleno de agua dentro de una campana de cristal hermticamente cerrada. Por medio de una bomba de vaco extraemos el aire de su interior, disminuyendo por lo tanto la presin. Cuando llega al valor de la presin de vapor correspondiente a la temperatura a la que se encuentra el agua, esta empezar a hervir.

En el momento del arranque de una bomba, el mangote de aspiracin puede estar lleno de aire, una bomba centrfuga no puede aspirar aire, por lo que no es autosuficiente para crear la aspiracin necesaria para que el fluido llene el rodete y se pueda empezar a bombear con normalidad. La creacin de estas condiciones de carga previas al arranque en la bomba es el denominado proceso de cebado, que se logra gracias a unos mecanismos que disponen las bombas. Describiremos los ms habituales: Es el ms elemental y hoy en da solo es utilizado por las motobombas23. Consiste en llenar el cuerpo de la bomba con agua por medio de un orificio que existe al efecto, que dispone de una vlvula de retencin para que no se vace por el mangote de aspiracin. Cebado manual o autocebado

6.5. Mecanismos de cebado

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Segn la norma UNE EN 1028-1: 2006 se denominan motobombas a aquellas bombas centrifugas porttiles instaladas sobre un bastidores metlicos transportables o sobre un remolque que se complementan con un motor de explosin de accionamiento. Es decir son las bombas que no van instaladas en ningn vehculo. Su funcionamiento es por lo tanto autnomo.


Pistones alternativos

Este sistema consta de un pistn provisto de una lumbrera que se comunica con la aspiracin de la bomba, por medio de una vlvula. Este embolo accionado manualmente o por el motor absorbe el aire que pudiera existir en el interior del conducto de aspiracin. Hoy esta prcticamente en desuso.Efecto VenturiEs una consecuencia del teorema de Bernoulli. Cuando en un conducto se produce un estrechamiento, la ecuacin de continuidad hace aumenta su velocidad (S1 < S2) y por tanto la presin vale:

Como v1 < v2 implica que h1 > h2.

Por eyeccin de gases

Se basa en el efecto Venturi. El tubo de escape, que se puede cerrar por medio de una vlvula de mariposa, presenta una derivacin de forma cnica en su extremo (D), para que los gases tengan una mayor velocidad en ese punto. Esto trae consigo una menor presin y la cmara C se llena con el aire de los conductos de aspiracin.

Este sistema de cebado se emplea principalmente en motobombas, ya que necesita de los gases de escape del motor, para su funcionamiento.

850 CCOO FORMACINEl aire saldr mezclado con los gases de escape y se producir un vaco en los tubos de aspiracin que se llenarn de agua, cebando a la bomba. Anillo de agua El mecanismo de anillo de agua se compone de una cmara cilndrica que tiene en su interior una rueda de paletas que gira excntrica respecto al eje del cilindro. Esta cmara posee dos conductos provistos de sus correspondientes vlvulas, uno comunica con el cuerpo de la bomba y por el otro a una salida.

La cmara cilndrica esta llena inicialmente de agua. Cuando la rueda de paletas gira, por efecto de la fuerza centrfuga, se forma alrededor de la rueda un anillo de agua de un determinado espesor. Entre las paletas de la rueda se forman unas cmaras de capacidad variable a medida que sta va girando. Al pasar, por delante del conducto que comunica la cmara cilndrica con la espiracin, las cmaras se hacen ms grandes y por lo tanto se crea un vaco que es llenado con el aire que absorbe de la aspiracin. Posteriormente al pasar por el conducto de expulsin del aire, la cmara disminuye de tamao obligado a salir el aire. Con este sistema se produce vaco en la aspiracin y se llena de agua el cuerpo de la bomba.


Bomba Godiva WT 3010

(1)Aspiracin desde el exterior de 100 mm. (2) Salidas de impulsin de 70 mm. (3) Salidas de impulsin de 45 mm. (4) Salida de impulsin de 25 mm. (5) Vlvula manual aspiracin de cisterna. (6) Vlvula de llenado de la cisterna desde la bomba.

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Bomba ROSEMBAUER TLF 1000 instalada en un vehculo

(1) Salidas de alta presin de dimetro 25 mm. (2) Selector NP/NP-HP (Baja presin/Alta y Baja presin). (3) Vlvula de aspiracin. (4) Aspiracin. (5) Monovacumetro y manmetros de alta y baja presin. (6) Llave de aspiracin del depsito de agua. (7) Aspiracin exterior de espumgeno. (8) Boca de llenado del depsito desde hidrante. (9) Llave de llenado del depsito desde hidrante. (10 y 16) Salidas y llaves de baja presin de dimetro 70 mm. (11 y 15) Llaves de alta presin. (12) Cebador. (13) Acelerador. (14) Llave de entrada de espumante. (17) Llave de llenado del tanque.(18) salida de espumante


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Resumen de conceptos La norma UNE EN 1028-1 define bomba centrfuga contra incendios, como aquella mquina hidrulica accionada mecnicamente destinada al suministro de fluidos con objeto de luchar contra los incendios. En una bomba centrifuga contra incendios podemos distinguir las sigui

capitulo2_03 conceptos básicos de hidráulica para bomberos

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