Hidráulica Básica

Download Hidráulica Básica

Post on 08-Jul-2015

616 views

Category:

Documents

6 download

Embed Size (px)

TRANSCRIPT

<p>CAPITULO I: CONCEPTOS FUNDAMENTALES INTRODUCCIN. APLICACIONES DE LA MECNICA DE FLUIDOS INCOMPRESIBLES Y LA HIDRULICA. DEFINICIN DE FLUIDO: TIPOS. ESTUDIO DE SU COMPORTAMIENTO. SISTEMAS DE UNIDADES. PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS: DENSIDAD, PESO ESPECFICO, DENSIDAD RELATIVA, VISCOSIDAD DINMICA, VISCOSIDAD CINEMTICA, PRESIN DEL VAPOR, TENSIN SUPERFICIAL. PRESIN. PROPIEDADES. UNIDADES: LEY DE LA PROFUNDIDAD Y DEL PESO ESPECFICO. PRESIN ATMOSFRICA: ATMOSFERA FSICA O NORMAL, TCNICA O MTRICA. PRESIN LOCAL O BAROMTRICA. PRESIN ABSOLUTA, RELATIVA, EFECTIVA O MANOMTRICA. VACIO. Introduccin Los conocimientos empleados por el hombre para llevar a cabo el movimiento del agua de un lugar a otro sin emplear recipientes los obtuvo primeramente sin preocuparse de conocer su base terica, sino fundamentndose en observaciones, tanteos y empirismo, con soluciones restringidas a la resolucin de los problemas que sus construcciones le presentaban. A partir del siglo XVIII, con el apoyo de fsicos y matemticos, intenta dar respuestas analticas, lo que logra gracias al empleo de suposiciones simplificadoras. Esto condujo, sin embargo, a que los resultados tuvieran poca aproximacin al fenmeno real. La omisin de algunas propiedades, como la viscosidad, dio lugar a la fluidodinmica, la cual, al ocuparse de fluidos ideales o imaginarios, no puede salvar el vano hasta el fluido real sino mediante la experimentacin. En el siglo XIX el impetuoso desarrollo de la tcnica exige una solucin rpida y concreta de los distintos problemas ingenieriles, lo que da lugar al desarrollo de la ciencia aplicada llamada Hidrulica, que se ocupaba principalmente del agua y en la que se llegaba a conclusiones a partir de esquemas de los diferentes fenmenos y a base de introducir en las ecuaciones tericas coeficientes obtenidos de la propia experiencia. Durante largo tiempo, la Hidrulica emprica y la fluidodinmica terica se desarrollaron aisladamente y se dice con cierta razn que "en el siglo XIX, los dinamicistas de fluidos se dividan en dos: los matemticos que explicaban cosas que no podan observarse y los ingenieros hidrulicos que observaban cosas que no podan explicarse". A principios del siglo pasado se hace sntesis de las investigaciones tericas y experimentales, establecindose una perspectiva globalizante de todos los puntos de vista. El ingeniero civil restringe el nmero de temas de esta ciencia aplicada principalmente al estudio del movimiento de fluidos incompresibles, y se refiere a la Hidrulica como aquella disciplina en la cual la teora y la experimentacin se enriquecen y complementan mutuamente. Distingue en ella una porcin importante dedicada al estudio de las leyes de equilibrio y movimiento del agua as como a los mtodos de utilizacin de las mismas en la solucin de problemas tcnicos concretos, esto es, la reconoce como una herramienta tecnolgica de la Ingeniera Hidrulica. Es conocido de todos que las disciplinas cientficas se subdividen, normalmente, en varias ramas particulares, que se estudian hoy en da de manera muy detallada. Esto es particularmente cierto en la Hidrulica y en la Mecnica de Fluidos incompresibles, que</p> <p>2</p> <p>Captulo I: Conceptos fundamentales</p> <p>presentan un campo tan amplio en este sentido que un ingeniero o un investigador puede dedicar toda su vida a una de sus subdivisiones, y conocer muy poco sobre otras ramas. La Hidrulica es, sin duda, anterior a la Mecnica de Fluidos en el contexto general con el que ahora la conocemos. La razn es obvia, ya que el estudio del agua, de sus leyes y de su movimiento est ntimamente ligado a la propia humanidad. El desarrollo de la Hidrulica, llevado a cabo en un principio por experimentalistas, tuvo un despegue vertiginoso a partir de la aceptacin por estos en el siglo pasado de los principios de la Mecnica de Fluidos, una vez dichos principios eran capaces de explicar fenmenos observables. De hecho, se puede decir que la Hidrulica moderna se ha integrado en el cuerpo de doctrina denominado Mecnica de Fluidos. Pero a su vez, las necesidades en el campo de la Hidrulica han motivado en buena medida el desarrollo de la Mecnica de Fluidos incompresibles. En la Universidad Politcnica de Cartagena la Escuela Universitaria de Ingeniera Tcnica Civil incluye Arquitectura Tcnica, Obras Pblicas e Ingeniera Tcnica de Minas. Para situar a la Hidrulica y a la Mecnica de Fluidos incompresibles en el contexto de la Ingeniera Civil, ser necesario precisar que al consistir esta ltima en la aplicacin de los principios de la fsica y los derivados de la economa y las humanidades, a la concepcin, diseo, construccin y mantenimiento de proyectos de infraestructuras de edificacin, vas de comunicacin y servicios hidrulicos, aqu los fenmenos de transporte tienen una importancia capital. Y esto es as, dado que un elevado porcentaje de esas infraestructuras precisan de instalaciones que estn basadas en el flujo de fluidos, o en sistemas capaces de transportarlos para su utilizacin, bien sea con fines sanitarios, energticos, industriales, etc. Es fcil pues entender que las tcnicas que ser necesario aplicar para proyectar, ejecutar y mantener estas instalaciones estarn sustentadas cientficamente por ambos cuerpos de doctrina como ciencias bsicas que estudian los procesos de transporte de materia, de energa y de cantidad de movimiento. Situarnos pues en el contexto de la Ingeniera Civil ser reconocer que a los fenmenos de transporte se les otorgue una importancia capital. Tomando como referencia al agua, aunque las consideraciones que se viertan sern tambin de aplicacin a otros muchos fluidos de importancia industrial, nuestro objetivo es el de presentar desde un punto de vista actual los aspectos ms importantes de ambas disciplinas en cuanto a fluidos newtonianos e incompresibles se refiere, bajo la perspectiva de la mecnica ms simplista y de manera que no tenga en cuenta los cambios de estado fsico, como son la vaporizacin, ni las transformaciones qumicas como la combustin. Si por ltimo se considera la transformacin de la energa hidrulica en energa mecnica o viceversa, llegaremos de forma natural a la parte en la que se tratan las mquinas de fluidos incompresibles o mquinas hidrulicas (bombas centrfugas, turbinas, etc.) Aplicaciones de la Mecnica de Fluidos incompresibles y la Hidrulica En la prctica de la ingeniera se obtienen resultados aceptables en muchos casos admitiendo la incompresibilidad de los lquidos, lo que simplifica mucho los clculos. Bajo ciertas circunstancias, si las variaciones de presin que intervienen son pequeas, los gases se comportan prcticamente como fluidos incompresibles y pueden considerarse</p> <p>Definicin, tipos y propiedades de los fluidos incompresibles. Presin.</p> <p>3</p> <p>como tales, sin grave error. As, las ecuaciones de flujo incompresible sern aplicables a algunos casos de gran aplicacin prctica: entre la salida del compresor y los puntos de utilizacin de aire comprimido siempre que las cadas de presin no sean superiores al 3%, pues implica variaciones de densidad de un orden de magnitud similar; o en sistemas de ventilacin, dadas las pequeas variaciones de presin y temperatura que tienen lugar; o en instalaciones de gases combustibles, cuando las presiones son inferiores a 100 mbar (1 m.c.agua); etc. Durante el ltimo siglo la Hidrulica y la Mecnica de Fluidos incompresibles, solas o en combinacin con otras reas del conocimiento cientfico y tcnico, han ampliado su radio de influencia notablemente, as como sus posibilidades de aplicacin. Para apreciar su extenso campo basta slo con considerar aquellos procesos industriales, tratamientos, situaciones o fenmenos en las que interviene cualquier lquido. Sera una labor de titanes realizar una enumeracin detallada de todas ellas. Signifiquemos pues algunas. Empezaremos comentando que los fluidos son parte esencial de la inmensa mayora de los organismos vivos, incluido el ser humano. Por esta razn, es posible encontrar una estrecha relacin con materias como la Medicina o la Biologa. Dentro del mbito puramente ingenieril se destacan: El transporte por conducciones: el abastecimiento de agua para consumo humano e industrial o para riego, captacin mediante pozos, recarga de acuferos, las redes de distribucin, saneamiento y depuracin, el transporte de combustibles, sistemas contra incendios, etc. Las aplicaciones referentes al diseo y utilizacin de toda clase de maquinaria hidrulica como turbinas, bombas, ventiladores, etc. El empleo para la transmisin de potencia (aceite hidrulico) y energa (agua caliente, refrigeracin, etc.). La industria qumica, en particular operaciones de filtrado, sedimentacin, tratamientos de agua y fangos, destilacin, reactores, plantas de proceso, etc. La teora de la lubricacin, que estudia la interaccin entre ejes y cojinetes, estudio de aditivos, comportamiento de neumticos sobre superficies mojadas, etc. Los medios porosos son de gran inters por sus aplicaciones en Hidrologa, Fsica del suelo, Ingeniera Agrcola, Ingeniera Qumica y Sanitaria, etc. La hidrulica de canales, fluvial y martima, con los fenmenos asociados de erosin, sedimentacin y transporte de materiales sueltos.</p> <p>4</p> <p>Captulo I: Conceptos fundamentales</p> <p> La fluidodinmica de la dispersin de contaminantes en cualquier medio. La generacin de energa hidrulica, mareomotriz, etc. La aerodinmica de edificios, obras pblicas e industriales, etc. La Ingeniera Naval, que se interesa por la teora de la capa lmite, la cavitacin y la estabilidad de flotadores. En el campo de la geofsica, el movimiento de grandes masas de fluidos domina los procesos que estudia la Oceanografa y la Meteorologa. En el campo de las explosiones y detonaciones se investiga en problemas sobre ignicin, generacin y propagacin de ondas de presin y explosiones submarinas. Mediante el empleo de modelos a escala reducida de estructuras para el diseo, construccin y mantenimiento de puertos, puentes, defensas contra inundaciones, encauzamiento de ros, drenaje urbano, planificacin, etc. El gran desarrollo de la informtica abre un amplio campo de posibilidades que engloba al conjunto de aproximaciones, tcnicas y herramientas dedicadas a la solucin numrica de flujos, las cuales han adquirido notable importancia en los ltimos aos. As los mtodos de clculo matemtico han pasado a complementar y en ocasiones a sustituir a la experimentacin realizada en laboratorio. Por ejemplo, en la simulacin de flujos de grandes escalas como corrientes ocenicas, en el interior de las mquinas u otro tipo de estructuras, de redes de distribucin y la explotacin e interpretacin de sistemas hidrulicos en general o en el anlisis, prevencin y mitigacin de riesgos provocados por el agua, etc., que unido a los nuevos sistemas de medicin de magnitudes fsicas basadas en la electrnica y tecnologa lser (telemedida, telecontrol y automatizacin) completan, en este sentido, el panorama. Por ltimo es una realidad la necesidad de implantar infraestructuras mnimas en pases subdesarrollados o en vas de desarrollo, y en los desarrollados y en lo que respecta a los sistemas de distribucin de agua y saneamiento, queda mucho por hacer: mejorar la eficacia y la calidad del servicio mediante acciones encaminadas a corregir defectos como las fugas, actuaciones de mantenimiento predictivo o polticas de ahorro, mediante la utilizacin de nuevos materiales (vlvulas automticas, bombas regulables, sistemas de unin y accesorios, etc.), implantacin de Sistemas de Informacin Geogrfica o utilizacin de modelos matemticos para analizar el funcionamiento de las redes y optimizar su funcionamiento. Definicin de fluido: tipos. Estudio de su comportamiento. La Fsica fundamental nos ensea que son dos los estados de la materia: slido y fluido. Un fluido es una sustancia en la que las partculas constituyentes pueden cambiar constantemente de posicin sin que varen sus propiedades. La diferencia entre slido y fluido radica en su respuesta ante un esfuerzo tangencial o cortante, o lo que es igual, una fuerza paralela a la superficie sobre la que acta. Ambos se deforman bajo su accin y</p> <p>Definicin, tipos y propiedades de los fluidos incompresibles. Presin.</p> <p>5</p> <p>aunque el primero puede resistirla, el fluido no. Efectivamente, el slido responde con una deformacin que desaparece al hacerlo el esfuerzo, restablecindose el equilibrio1. Entonces la forma ms precisa de referirnos a un fluido ser: aquella sustancia que no resiste esfuerzos tangenciales o cortantes sino que bajo su accin, por pequea que esta sea y mientras dure, se deforma continuamente, esto es, se pone en movimiento. Bsicamente se distinguen dos clases de fluidos, lquidos y gases. La justificacin al diferente comportamiento y propiedades de uno y otro radica principalmente en las diferentes fuerzas cohesivas entre las molculas que los componen. Un lquido exhibe un mayor grado de cohesin o agregacin molecular por lo cual tender a conservar su volumen y formar una superficie libre en el campo gravitatorio si no est limitado por arriba. En cambio un gas con fuerzas cohesivas casi despreciables tender a expandirse hasta que encuentre una superficie limitante, de hecho no tiene superficie libre ni volumen definido2.</p> <p>Aunque la mayor parte de los problemas ingenieriles de nuestro inters se circunscriben al estudio de los fluidos incompresibles comunes como el agua, aceite, glicerina, alcohol, combustibles, etc., existen algunos casos lmite en los cuales la distincin entre slido y fluido no es del todo clara. As, algunos fluidos no fluyen fcilmente, ciertos slidos empiezan a fluir cuando les es aplicada una fuerza lo suficientemente grande, etc. Efectivamente: + sustancias aparentemente slidas, como la arcilla, el asfalto o el grafito, la manteca, la pasta de dientes, etc., son capaces de resistir esfuerzos cortantes solo durante un intervalo de tiempo pasando a fluir una vez superado este; otras, como ciertos coloides (espumas, emulsiones, gelatinas, geles, etc. ) y mezclas espesas (conservas, zumos, suspensiones, sangre, tinta, etc.), son capaces de resistir estos esfuerzos pero no a partir de1 2</p> <p>Si el esfuerzo tangencial o cortante sobrepasa el lmite elstico del slido, este se rompe. Cuando las molculas de un gas se mueven independientemente unas de otras, sin atraccin entre ellas, se considera ideal o perfecto. El comportamiento de muchos gases, como el aire o el oxgeno, se aproxima al ideal.</p> <p>6</p> <p>Captulo I: Conceptos fundamentales</p> <p>un cierto nivel de intensidad, superado el cual tambin fluirn. Todos ellos son estudiados en el campo de la Reologa del que no nos ocuparemos.</p> <p>Petrleo, coloides y mezclas espesas (zumos)</p> <p>+ Ciertos lquidos y gases pueden coexistir en las denominadas mezclas o flujos bifsicos, como por ejemplo: refrescos, agua con burbujas de aire, aire y vapor de agua, etc. Tampoco nos ocuparemos de ellos.</p> <p>Fluidos bifsicos</p> <p>+ Por ltimo comentar que hay ciertas situaciones en las que la distincin entre lquido y gas se difumina. Esto es as a unas temperaturas y presiones...</p>