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La hidráulica (del griego antiguo ὕδωρ ( húdōr ) ' agua ' y αὐλός ( aulós ) ' tubería ') [2] es una tecnología y ciencia aplicada que utiliza la ingeniería , la química y otras ciencias que involucran las propiedades mecánicas y el uso de líquidos . A un nivel muy básico, la hidráulica es la contraparte líquida de la neumática , que se refiere a los gases . La mecánica de fluidos proporciona la base teórica de la hidráulica, que se centra en la ingeniería aplicada utilizando las propiedades de los fluidos. En sus aplicaciones de energía fluida , la hidráulica se utiliza para la generación, control y transmisión de potencia mediante el uso de líquidos presurizados . Los temas hidráulicos abarcan algunas partes de la ciencia y la mayoría de los módulos de ingeniería, y cubren conceptos como flujo de tuberías , diseño de presas , fluídica y circuitos de control de fluidos. Los principios de la hidráulica se utilizan de forma natural en el cuerpo humano dentro del sistema vascular y el tejido eréctil . [3] [4]
La hidráulica de superficie libre es la rama de la hidráulica que se ocupa del flujo de superficie libre , como el que ocurre en ríos , canales , lagos , estuarios y mares . Su subcampo Flujo en canales abiertos estudia el flujo en canales abiertos .
Los primeros usos de la energía hidráulica se remontan a Mesopotamia y el antiguo Egipto , donde el riego se utilizaba desde el sexto milenio a.C. y los relojes de agua se utilizaban desde principios del segundo milenio a.C. Otros ejemplos tempranos de energía hidráulica incluyen el sistema Qanat en la antigua Persia y el sistema hidráulico de Turpan en la antigua Asia Central.
En el Imperio Persa o en entidades anteriores de Persia, los persas construyeron un intrincado sistema de molinos de agua, canales y presas conocido como el Sistema Hidráulico Histórico de Shushtar . El proyecto, iniciado por el rey aqueménida Darío el Grande y finalizado por un grupo de ingenieros romanos capturados por el rey sasánida Sapur I , [5] ha sido calificado por la UNESCO como "una obra maestra de genio creativo". [5] También fueron los inventores [6] del Qanat , un acueducto subterráneo, alrededor del siglo IX a.C. [7] Varios de los grandes y antiguos jardines de Irán fueron irrigados gracias a Qanats. [8]
El Qanat se extendió a las zonas vecinas, incluidas las tierras altas de Armenia . Allí, a partir de principios del siglo VIII a.C., el Reino de Urartu emprendió importantes obras hidráulicas, como el canal de Menua . [9] [7] [10]
La evidencia más temprana de ruedas hidráulicas y molinos de agua se remonta al antiguo Cercano Oriente en el siglo IV a. C., [11] específicamente en el Imperio Persa antes del 350 a. C., en las regiones de Irak , Irán , [12] y Egipto . [13]
En la antigua China estaban Sunshu Ao (siglo VI a. C.), Ximen Bao (siglo V a. C.), Du Shi (alrededor del 31 d. C.), Zhang Heng (78 – 139 d. C.) y Ma Jun (200 – 265 d. C.), mientras que en la época medieval China tuvo a Su Song (1020-1101 d.C.) y Shen Kuo (1031-1095). Du Shi empleó una rueda hidráulica para accionar los fuelles de un alto horno que producía hierro fundido . Zhang Heng fue el primero en emplear sistemas hidráulicos para proporcionar fuerza motriz al hacer girar una esfera armilar para observación astronómica . [14] [15]
En la antigua Sri Lanka, la hidráulica se usaba ampliamente en los antiguos reinos de Anuradhapura y Polonnaruwa . [16] El descubrimiento del principio de la torre de válvulas, o pozo de válvulas, (Bisokotuwa en cingalés) para regular el escape de agua se atribuye al ingenio hace más de 2.000 años. [17] En el siglo I d.C., se habían completado varias obras de riego a gran escala. [18] En Sigiriya , Sri Lanka , se instalaron sistemas macro y microhidráulicos para satisfacer las necesidades hortícolas y agrícolas domésticas, drenaje superficial y control de la erosión, cursos de agua ornamentales y recreativos y estructuras de contención, así como sistemas de refrigeración . El coral de la enorme roca del lugar incluye cisternas para recoger agua. Los grandes embalses antiguos de Sri Lanka son Kalawewa (Rey Dhatusena), Parakrama Samudra (Rey Parakrama Bahu), Tisa Wewa (Rey Dutugamunu), Minneriya (Rey Mahasen)
En la antigua Grecia , los griegos construyeron sofisticados sistemas de agua y energía hidráulica. Un ejemplo es una construcción por parte de Eupalinos , en virtud de un contrato público, de un canal de riego para Samos , el Túnel de Eupalinos . Un ejemplo temprano del uso de rueda hidráulica, probablemente el más antiguo de Europa, es la rueda de Perachora (siglo III a. C.). [19]
En el Egipto grecorromano , es notable la construcción de la primera máquina autómata hidráulica por parte de Ctesibius (floreció c. 270 a. C.) y Héroe de Alejandría (c. 10 – 80 d. C.). Hero describe varias máquinas de trabajo que utilizan energía hidráulica, como la bomba de fuerza , que en muchos yacimientos romanos se conoce por haber sido utilizada para elevar agua y en camiones de bomberos. [20]
En el Imperio Romano se desarrollaron diferentes aplicaciones hidráulicas, entre ellas los abastecimientos públicos de agua, innumerables acueductos , energía mediante molinos de agua y minería hidráulica . Fueron de los primeros en utilizar el sifón para transportar agua a través de los valles y utilizaron el silenciamiento a gran escala para buscar y luego extraer minerales metálicos . Utilizaron ampliamente el plomo en los sistemas de plomería para el suministro doméstico y público, como en las termas de alimentación . [ cita necesaria ]
La minería hidráulica se utilizó en los yacimientos de oro del norte de España, que fue conquistada por Augusto en el 25 a.C. La mina de oro aluvial de Las Médulas fue una de las más grandes de sus minas. Al menos siete largos acueductos funcionaban en él, y las corrientes de agua se utilizaban para erosionar los depósitos blandos y luego lavar los relaves para extraer el valioso contenido de oro. [21] [22]
En el mundo musulmán durante la Edad de Oro islámica y la Revolución Agrícola Árabe (siglos VIII-XIII), los ingenieros hicieron un amplio uso de la energía hidroeléctrica, así como los primeros usos de la energía mareomotriz , [23] y grandes complejos de fábricas hidráulicas . [24] En el mundo islámico se utilizaron una variedad de molinos industriales impulsados por agua, incluidos batanes , molinos , fábricas de papel , descascaradoras , aserraderos , molinos navales , molinos de sellos , acerías , ingenios azucareros y molinos de marea . En el siglo XI, todas las provincias del mundo islámico tenían estos molinos industriales en funcionamiento, desde Al-Andalus y el norte de África hasta Oriente Medio y Asia Central . [25] Los ingenieros musulmanes también utilizaron turbinas hidráulicas , emplearon engranajes en molinos de agua y máquinas elevadoras de agua, y fueron pioneros en el uso de presas como fuente de energía hidráulica, utilizadas para proporcionar energía adicional a los molinos de agua y máquinas elevadoras de agua. [26]
Al-Jazari (1136-1206) describió diseños para 50 dispositivos, muchos de ellos impulsados por agua, en su libro The Book of Knowledge of Ingenious Mechanical Devices , incluidos relojes de agua, un dispositivo para servir vino y cinco dispositivos para levantar agua. de ríos o pozas. Estos incluyen una correa sin fin con jarras adjuntas y un dispositivo alternativo con válvulas articuladas. [27]
Las primeras máquinas programables fueron dispositivos impulsados por agua desarrollados en el mundo musulmán. Un secuenciador de música , un instrumento musical programable , fue el primer tipo de máquina programable. El primer secuenciador musical fue un flautista automatizado impulsado por agua inventado por los hermanos Banu Musa , descrito en su Libro de los ingeniosos dispositivos , en el siglo IX. [28] [29] En 1206, Al-Jazari inventó autómatas/ robots programables impulsados por agua . Describió a cuatro músicos autómatas , incluidos bateristas operados por una caja de ritmos programable , donde se les podía hacer tocar diferentes ritmos y diferentes patrones de batería. [30]
En 1619 Benedetto Castelli , alumno de Galileo Galilei , publicó el libro Della Misura dell'Acque Correnti o "Sobre la medición de las aguas corrientes", uno de los fundamentos de la hidrodinámica moderna. Se desempeñó como consultor principal del Papa en proyectos hidráulicos, es decir, gestión de ríos en los Estados Pontificios, a partir de 1626. [31]
La ciencia y la ingeniería del agua en Italia entre 1500 y 1800 en libros y manuscritos se presentan en un catálogo ilustrado publicado en 2022. [32]
Blaise Pascal (1623-1662) estudió hidrodinámica e hidrostática de fluidos, centrándose en los principios de los fluidos hidráulicos. Su descubrimiento de la teoría detrás de la hidráulica lo llevó a inventar la prensa hidráulica , que multiplicaba una fuerza más pequeña que actuaba sobre un área más pequeña por la aplicación de una fuerza mayor totalizada sobre un área más grande, transmitida a través de la misma presión (o cambio exacto de presión). ) en ambas ubicaciones. La ley o principio de Pascal establece que para un fluido incompresible en reposo, la diferencia de presión es proporcional a la diferencia de altura, y esta diferencia sigue siendo la misma independientemente de que la presión general del fluido cambie o no aplicando una fuerza externa. Esto implica que al aumentar la presión en cualquier punto de un fluido confinado, hay un aumento igual en cada otro extremo del recipiente, es decir, cualquier cambio en la presión aplicada en cualquier punto del líquido se transmite sin disminución a través de los fluidos.
Un médico francés, Poiseuille (1797–1869) investigó el flujo de sangre a través del cuerpo y descubrió una ley importante que rige la velocidad del flujo con el diámetro del tubo en el que se produce el flujo. [33] [ cita necesaria ]
Varias ciudades desarrollaron redes de energía hidráulica en toda la ciudad en el siglo XIX para operar maquinaria como ascensores, grúas, cabrestantes y similares. Joseph Bramah [34] (1748-1814) fue uno de los primeros innovadores y William Armstrong [35] (1810-1900) perfeccionó el aparato para el suministro de energía a escala industrial. En Londres, la London Hydraulic Power Company [36] era un importante proveedor de tuberías que daban servicio a gran parte del West End de Londres , la ciudad y los muelles , pero había planes restringidos a empresas individuales, como muelles y depósitos de mercancías ferroviarias .
Una vez que los estudiantes comprenden los principios básicos de la hidráulica, algunos profesores utilizan una analogía hidráulica para ayudar a los estudiantes a aprender otras cosas. Por ejemplo:
La conservación del requisito de masa combinada con la compresibilidad del fluido produce una relación fundamental entre la presión, el flujo del fluido y la expansión volumétrica, como se muestra a continuación: [37]
Suponiendo un fluido incompresible o una relación "muy grande" de compresibilidad con respecto al volumen de fluido contenido, una tasa finita de aumento de presión requiere que cualquier flujo neto hacia el volumen de fluido recolectado cree un cambio volumétrico.
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