Introducción a la hidráulica

Conceptualmente, la hidráulica se puede definir de varias maneras, dependiendo del contexto en que se use. Proviene del griego Hydor y trata de las leyes que están relacionadas con el agua. El uso de la hidráulica es muy variado, no solamente se puede encontrar en el ámbito industrial sino también en otros, incluso relacionados con la vida diaria. La teoría de la hidráulica es muy variada.

La Hidráulica

Es la tecnología que emplea un líquido, bien sea agua o aceite, como modo de transmisión de la energía necesaria para mover y hacer funcionar mecanismos. Se considera una rama de la ingeniería que necesita conocimientos de las ciencias básicas como la matemática, la física y la química.

Mecánica de Fluidos:

Es una rama de la mecánica que se ocupa de estudio de los fluidos en movimiento o en reposo y los efectos consiguientes sobre los contornos, que pueden ser una superficie sólida u otro fluido. Se basa en la teoría y la experimentación. Dispone de un conjunto de leyes de conservación bien documentadas.

La Ingeniería Hidráulica

Es la rama de la ingeniería civil que se ocupa de proyectar y realizar obras civiles relacionadas con el agua y se emplea para diferentes funciones como la obtención de energía hidráulica (agua retenida en embalses o pantanos), para la irrigación, potabilización, canalización y para la construcción de estructuras en mares, ríos y lagos.

Breve Historia de la Hidráulica:

Se conoce muy poco de los sistemas hidráulicos de la antigüedad pues a través del tiempo las evidencias fueron destruyéndose, sin embargo, se sabe que todas las sociedades más antiguas evolucionaron a la orilla de los ríos más importantes de la época como el Río Nilo. Paulatinamente, fueron utilizando el riego en sus formas primitivas.

Desde los años 4000 al 2000 A. C. los egipcios y los fenicios ya tenían experiencias en problemas de agua, en la construcción de sus barcos y sus puertos. En ese tiempo, China, India, Pakistán, Egipto y Mesopotamia iniciaron el desarrollo de los sistemas de riego. Los chinos también experimentaron en la protección contra inundaciones.

Después del alto 500 A. C. en la Grecia antigua se construyeron acueductos y se empezaron a desarrollar fórmulas para dichos sistemas; fue éste uno de los primeros intentos para la elaboración de un modelo matemático.

Más adelante, se conoce la invención del molino de viento utilizado para extraer aguas subterráneas. Ya en el siglo XVI se desarrollaron los principios de la hidráulica con científicos como Keppler y Torricelli, alrededor del año 1800 Isaac Newton, Daniel Bernouilli y Leonhard Euler perfeccionaron dichas teorías.

El primer modelo físico hidráulico fue construido en el año 1795 por el ingeniero Luis Gerónimo Fargue sobre un tramo del río Garoma, Río Europeo. En el año 1885, Reynolds, construyó un modelo del río Merssey, Cerca de Liverpool. Él anotó que la relación existente entre la fuerza de la inercia y la fuerza de la fricción era de gran importancia para el diseño de los modelos hidráulicos. Hoy en día, ésta relación se denomina Número de Reynolds, parámetro adimensional muy significativo en los modelos hidráulicos actuales.

El arquitecto naval  William Froude en 1870, indicó la importancia de tal relación de la fuerza de la inercia y de la fuerza de gravedad. En la actualidad ésta relación se denomina Número de Froude, parámetro adimensional básico en el análisis de los modelos hidráulicos. El primer laboratorio hidráulico fue fundado en Dresden, Alemania, en 1891 por el profesor Engels y después de éste muchos otros más aparecieron en casi todos los países del mundo. Hoy en día hay más de laboratorios hidráulicos de los que se pueda imaginar.

Ramas de la Ingeniería Hidráulica:

Hidraúlica Agrícola: Profesionales que se encargan del estudio y la elaboración de riegos y drenajes para la producción y planificación de alimentos provenientes de la tierra o para áreas bovinas.

Hidráulica Fluvial: Se encarga del estudio de las intervenciones del hombre sobre los ríos, ya sea para la adecuación al sistema de aprovechamientos del sistema hídrico, la disminución de riesgos de daños por inundación o bien por la intersección del río con una obra de infraestructura (carretera, ferrocarril, conducciones, entre otros). Este profesional debe tener también conocimiento de hidrología, transporte sólido, dinámica fluvial y geomorfología fluvial.

Hidráulica Sanitaria: Profesional que se ocupa de diseñar, construir, y operar sistemas de abastecimiento de agua potable, en todos sus componentes, destinados a la captación del agua desde los ríos a los lagos, hasta la distribución del agua potabilizada a los usuarios; sistema de alcantarillado sanitario y plantas de tratamiento de aguas servidas.

Hidráulica Mecánica: Rama que se asocia a los principios de la termodinámica, mecánica, elaboración y diseños de elementos relacionados con la mecánica de fluido, tales como turbinas, engranajes, bombas, entre otros.

La materia se presenta en tres estados:

En estado líquido, en estado sólido y en estado gaseoso. Cómo se está conociendo la hidráulica, se toma en cuenta dos tipos de estados. El estado líquido y los gases constituyen los fluidos que se caracterizan por su poca cohesión e intermolecular, por lo que carecen de forma propia, adaptando la forma del recipiente que los contiene.

En hidráulica se denomina Líquido Perfecto (L.P) a un líquido Ideal que tenga en grado máximo todas las propiedades de los líquidos. Se debe tomar en cuenta que los L.P no existen, sólo interesa como simplificación para poder aplicar las leyes de mecánica Newtoniana.

Propiedades de los Líquidos:

Viscocidad: Es la resistencia que ejercer el líquido al fluir. La viscosidad aumenta al aumentar el número de moles y disminuye al aumentar la temperatura. Un fluido que no tiene esta característica se considera un líquido ideal.

Fluidez: Es la capacidad de los fluidos (líquidos y/o gases) de poder pasar por cualquier orificio o agujero, independientemente del tamaño, siempre que el recipiente en que se encuentra esté a igual o a inferior nivel.

Punto de Ebullición: Se refiere a la temperatura a la que el líquido pasa de estado líquido a estado gaseoso.

Tensión Superficial: Es la Fuerza que se manifiesta en la superficie de un líquido, por medio del cual la capa exterior del líquido tiende a contener el volumen de éste dentro de una mínima superficie. La tension superficial está asociada a la cantidad de energía necesaria para aumentar su superficie por unidad de área.

Capiralidad: Facilidad que tienen los líquidos de subir por capilares (tubos de diámetros minúsculos) donde la fuerza de cohesión es inferior a la fuerza de adhesión.

Cohesión: Fuerza de atracción entre moléculas que mantienen unidas las partículas de una sustancia. Es la fuerza de atracción entre partículas adyacentes dentro de un mismo cuerpo.

Adhesión: Se refiere a la acción que tienen las moléculas iguales o diferentes al entrar en contacto, por medio de fuerzas intermoleculares.

Isotropía: Es la Propiedad por la cual un cuerpo tiene las mismas propiedades en todas direcciones. Un Líquido real no es un isótropo totalmente, pero la mayoría de casos podemos prescindir de esta anomalía. Un líquido perfecto es cien por ciento isótropo en todas sus partes.

En algunos fluidos, las moléculas tienen una orientación preferente, lo que hace que el líquido presente propiedades anisótropas (propiedades, como el índice de refracción).

Las teorías son importantes para la Hidráulica porque son sustentadas por el uso de instrumentos matemáticos, que van modernizándose de acuerdo a los tiempos, pero siempre se obtiene algún coeficiente o fórmula empírica, que resulta ser la manera en que se resuelven los problemas prácticos, luego de haberlo determinado por medio de experimentos de laboratorio, de obras construidas y de operantes de las funciones que desempeñan los ingenieros hidráulicos.

Áreas de la Hidráulica:

La utilización del agua: Aunque parezca una tarea sencilla pero no menos importante, se utiliza es sistemas de riego, en cómo conseguir agua para plantaciones tanto de productos de agricultura como en jardinería.

La obtención de energía hidráulica: Se provee del aprovechamiento de las energías cinética y potencial de la corriente del agua, saltos de agua o mareas. Es un tipo de energía verde cuando su impacto ambiental es mínimo y usa la fuerza hídrica sin represarla, en caso contrario es considerada sólo una forma de energía renovable.

La potabilización: Se trata de sistemas relacionados con el agua y su depuración para sus diferentes utilizaciones en sector industrial, comercial, doméstico

La canalización: Se destina para el transporte de fluidos, en este caso agua. Se diferencia de las tuberías normalizadas en que están en la superficie y no van bajo tierra. Tanto la descripción de estos canales como su diseño es competencia de la ingeniería que ocupa.

La construcción: de estructuras en mares, ríos, lagos. Como diques, presas, represas, canales navegables o no, esclusas, muelles, puertos, rompeolas, etc. entre otras muchas construcciones.

La hidráulica es muy importante porque posibilita al profesional a analizar las leyes que rigen los movimientos de los líquidos y las técnicas para el aprovechamiento de las aguas. También, mediante el cálculo matemático, el diseño de modelos a pequeña escala y experimentación con ellos, es posible determinar las características de construcción que deben de tener las obras civiles.

Conclusión:

  1. La Hidráulica aplica los conceptos de la Mecánica de Fluidos y los resultados de experiencias en la solución de problemas prácticos.
  2. En la mayoría de los proyectos u obras civiles, el agua se presenta de muchas formas posibles y es por eso que se debe usar correctamente para no desaprovechar ni desperdiciar tan valorado recurso.
  3. La Hidráulica tiene un amplio campo de acción y muchas aplicaciones en el ejercicio profesional, que se desprende en infinidad de especializaciones.

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