La ingeniería hidráulica, como subdisciplina de la ingeniería civil, se ocupa del flujo y transporte de fluidos , principalmente agua y aguas residuales. Una característica de estos sistemas es el uso extensivo de la gravedad como fuerza motriz para provocar el movimiento de los fluidos. Esta área de la ingeniería civil está íntimamente relacionada con el diseño de puentes , presas , canales , canales y diques , y con la ingeniería sanitaria y ambiental .
La ingeniería hidráulica es la aplicación de los principios de la mecánica de fluidos a los problemas relacionados con la recolección, almacenamiento, control, transporte, regulación, medición y uso del agua. [1] Antes de comenzar un proyecto de ingeniería hidráulica, uno debe calcular cuánta agua está involucrada. El ingeniero hidráulico se ocupa del transporte de sedimentos por el río, la interacción del agua con su límite aluvial y la aparición de erosión y sedimentación. [1] "El ingeniero hidráulico desarrolla diseños conceptuales para las diversas características que interactúan con el agua, como aliviaderos y obras de salida para represas, alcantarillas para carreteras, canales y estructuras relacionadas para proyectos de irrigación e instalaciones de agua de enfriamiento para plantas de energía térmica ". [2]
Algunos ejemplos de los principios fundamentales de la ingeniería hidráulica incluyen la mecánica de fluidos , el flujo de fluidos , el comportamiento de fluidos reales, la hidrología , las tuberías, la hidráulica de canales abiertos, la mecánica del transporte de sedimentos , el modelado físico, las máquinas hidráulicas y la hidráulica de drenaje.
Fundamentos de ingeniería hidráulica define la hidrostática como el estudio de fluidos en reposo. [1] En un fluido en reposo, existe una fuerza, conocida como presión, que actúa sobre el entorno del fluido. Esta presión, medida en N/m 2 , no es constante en todo el cuerpo de fluido. La presión, p, en un cuerpo de fluido dado, aumenta con el aumento de la profundidad. Donde la fuerza ascendente sobre un cuerpo actúa sobre la base y se puede encontrar mediante la ecuación:
dónde,
Si reorganizamos esta ecuación, obtenemos la carga de presión . Los cuatro dispositivos básicos para medir la presión son el piezómetro , el manómetro , el manómetro diferencial, el manómetro Bourdon y el manómetro inclinado. [1]
Como afirma Prasuhn:
La principal diferencia entre un fluido ideal y un fluido real es que para el flujo ideal p 1 = p 2 y para el flujo real p 1 > p 2 . El fluido ideal es incompresible y no tiene viscosidad. El fluido real tiene viscosidad. El fluido ideal es solo un fluido imaginario ya que todos los fluidos que existen tienen cierta viscosidad.
Un fluido viscoso se deformará continuamente bajo una fuerza cortante según la ley de Pascles, mientras que un fluido ideal no se deforma.
Los diversos efectos de la perturbación en un flujo viscoso son: estable, de transición e inestable.
Para un fluido ideal, la ecuación de Bernoulli es válida a lo largo de las líneas de corriente.
A medida que el flujo entra en contacto con la placa, la capa de fluido se "adhiere" a una superficie sólida. Se produce entonces una acción de cizallamiento considerable entre la capa de fluido sobre la superficie de la placa y la segunda capa de fluido. Por tanto, la segunda capa se ve obligada a desacelerar (aunque no llega a detenerse del todo), lo que crea una acción de cizallamiento con la tercera capa de fluido, y así sucesivamente. A medida que el fluido avanza a lo largo de la placa, la zona en la que se produce la acción de cizallamiento tiende a extenderse más hacia el exterior. Esta zona se conoce como "capa límite". El flujo fuera de la capa límite está libre de fuerzas de cizallamiento y viscosas, por lo que se supone que actúa como un fluido ideal. Las fuerzas de cohesión intermoleculares en un fluido no son lo suficientemente grandes como para mantenerlo unido. Por lo tanto, un fluido fluirá bajo la acción de la más mínima tensión y el flujo continuará mientras exista la tensión. [3] El flujo dentro de la capa puede ser vicioso o turbulento, según el número de Reynolds. [1]
Los temas de diseño más comunes para los ingenieros hidráulicos incluyen estructuras hidráulicas como presas , diques , redes de distribución de agua, incluidos los sistemas de suministro de agua para uso doméstico y contra incendios, distribución y rociadores automáticos, redes de recolección de agua, redes de recolección de aguas residuales, gestión de aguas pluviales , transporte de sedimentos y varios otros temas relacionados con la ingeniería de transporte y la ingeniería geotécnica . Las ecuaciones desarrolladas a partir de los principios de dinámica de fluidos y mecánica de fluidos son ampliamente utilizadas por otras disciplinas de ingeniería, como los ingenieros mecánicos, aeronáuticos e incluso de tráfico.
Las ramas relacionadas incluyen la hidrología y la reología, mientras que las aplicaciones relacionadas incluyen el modelado hidráulico, el mapeo de inundaciones, los planes de gestión de inundaciones en cuencas, los planes de gestión de costas, las estrategias estuarinas, la protección costera y el alivio de inundaciones.
Los primeros usos de la ingeniería hidráulica fueron para regar cultivos y se remontan a Oriente Medio y África . El control del movimiento y el suministro de agua para el cultivo de alimentos se ha utilizado durante muchos miles de años. Una de las primeras máquinas hidráulicas, el reloj de agua, se utilizó a principios del segundo milenio a. C. [4] Otros ejemplos tempranos del uso de la gravedad para mover el agua incluyen el sistema Qanat en la antigua Persia y el muy similar sistema de agua de Turpan en la antigua China, así como los canales de irrigación en Perú. [5]
En la antigua China , la ingeniería hidráulica estaba muy desarrollada y los ingenieros construían canales enormes con diques y presas para canalizar el flujo de agua para riego, así como esclusas para permitir el paso de los barcos. Sunshu Ao es considerado el primer ingeniero hidráulico chino. Otro ingeniero hidráulico importante en China, Ximen Bao, fue reconocido por iniciar la práctica del riego por canales a gran escala durante el período de los Reinos Combatientes (481 a. C.-221 a. C.); incluso hoy en día, los ingenieros hidráulicos siguen ocupando una posición respetable en China.
En la época arcaica de Filipinas , la ingeniería hidráulica también se desarrolló especialmente en la isla de Luzón , los ifugaos de la región montañosa de las cordilleras construyeron irrigaciones, represas y obras hidráulicas y las famosas terrazas de arroz de Banaue como una forma de ayudar en el cultivo de cultivos alrededor del año 1000 a. C. [6] Estas terrazas de arroz son terrazas de 2000 años de antigüedad que fueron talladas en las montañas de Ifugao en Filipinas por los antepasados de los pueblos indígenas . Las terrazas de arroz se conocen comúnmente como la " Octava Maravilla del Mundo ". [7] [8] [9] Se piensa comúnmente que las terrazas se construyeron con un equipo mínimo, en gran parte a mano. Las terrazas están ubicadas aproximadamente a 1500 metros (5000 pies) sobre el nivel del mar. Son alimentadas por un antiguo sistema de irrigación de las selvas tropicales sobre las terrazas. Se dice que si los escalones se pusieran uno al lado del otro, rodearían la mitad del globo. [10]
Eupalino de Megara fue un ingeniero griego que construyó el túnel de Eupalino en Samos en el siglo VI a. C., una importante hazaña de ingeniería civil e hidráulica. El aspecto de ingeniería civil de este túnel fue que se excavó desde ambos extremos, lo que requirió que los excavadores mantuvieran un camino preciso para que los dos túneles se encontraran y que todo el esfuerzo mantuviera una pendiente suficiente para permitir que el agua fluyera.
La ingeniería hidráulica estuvo altamente desarrollada en Europa bajo la égida del Imperio Romano donde se aplicó especialmente a la construcción y mantenimiento de acueductos para abastecer de agua y eliminar aguas residuales de sus ciudades. [3] Además de abastecer las necesidades de sus ciudadanos, utilizaron métodos de minería hidráulica para prospectar y extraer depósitos de oro aluvial en una técnica conocida como hushing , y aplicaron los métodos a otros minerales como los de estaño y plomo .
En el siglo XV, el Imperio somalí Ajuran era el único imperio hidráulico de África. Como imperio hidráulico, el Estado Ajuran monopolizaba los recursos hídricos de los ríos Jubba y Shebelle . Mediante la ingeniería hidráulica, también construyó muchos de los pozos y cisternas de piedra caliza del estado que todavía están en funcionamiento y en uso hoy en día. Los gobernantes desarrollaron nuevos sistemas para la agricultura y la tributación , que continuaron utilizándose en partes del Cuerno de África hasta el siglo XIX. [11]
En el mundo musulmán se produjeron más avances en ingeniería hidráulica entre los siglos VIII y XVI, durante lo que se conoce como la Edad de Oro islámica . De particular importancia fue el « complejo tecnológico de gestión del agua », que fue central para la Revolución Verde islámica . [12] Los diversos componentes de este «conjunto de herramientas» se desarrollaron en diferentes partes de la masa continental afroeuroasiática , tanto dentro como fuera del mundo islámico. Sin embargo, fue en las tierras islámicas medievales donde se ensambló y estandarizó el complejo tecnológico, y posteriormente se difundió al resto del Viejo Mundo. [13] Bajo el gobierno de un único califato islámico , se ensamblaron diferentes tecnologías hidráulicas regionales en «un complejo tecnológico de gestión del agua identificable que tendría un impacto global». Los diversos componentes de este complejo incluían canales , presas , el sistema qanat de Persia, dispositivos regionales de elevación de agua como la noria , el shaduf y la bomba de tornillo de Egipto , y el molino de viento del Afganistán islámico . [13] Otros desarrollos islámicos originales incluyeron la saqiya con efecto de volante de inercia de la España islámica, [14] la bomba de succión alternativa [15] [16] [17] y el mecanismo de biela - cigüeñal de Irak , [18] [19] y el sistema de suministro de agua con engranajes e hidroeléctrico de Siria . [20]
En muchos aspectos, los fundamentos de la ingeniería hidráulica no han cambiado desde la antigüedad. Los líquidos se siguen moviendo en su mayor parte por gravedad a través de sistemas de canales y acueductos, aunque los depósitos de suministro ahora se pueden llenar utilizando bombas. La necesidad de agua ha aumentado de manera constante desde la antigüedad y el papel del ingeniero hidráulico es fundamental para suministrarla. Por ejemplo, sin los esfuerzos de personas como William Mulholland, la zona de Los Ángeles no habría podido crecer como lo ha hecho porque simplemente no tiene suficiente agua local para sustentar a su población. Lo mismo sucede con muchas de las ciudades más grandes del mundo. De manera muy similar, el valle central de California no podría haberse convertido en una región agrícola tan importante sin una gestión y distribución eficaz del agua para riego. De manera algo paralela a lo que sucedió en California, la creación de la Autoridad del Valle de Tennessee (TVA) trajo trabajo y prosperidad al Sur mediante la construcción de presas para generar electricidad barata y controlar las inundaciones en la región, haciendo navegables los ríos y modernizando en general la vida en la región.
Leonardo da Vinci (1452-1519) realizó experimentos, investigó y especuló sobre ondas y chorros, remolinos y corrientes de aire. Isaac Newton (1642-1727), al formular las leyes del movimiento y su ley de la viscosidad, además de desarrollar el cálculo, allanó el camino para muchos grandes avances en la mecánica de fluidos. Utilizando las leyes del movimiento de Newton, numerosos matemáticos del siglo XVIII resolvieron muchos problemas de flujo sin fricción (viscosidad cero). Sin embargo, la mayoría de los flujos están dominados por efectos viscosos, por lo que los ingenieros de los siglos XVII y XVIII consideraron inadecuadas las soluciones de flujo no viscoso y, mediante la experimentación, desarrollaron ecuaciones empíricas, estableciendo así la ciencia de la hidráulica. [3]
A finales del siglo XIX se reconoció la importancia de los números adimensionales y su relación con la turbulencia, y nació el análisis dimensional. En 1904, Ludwig Prandtl publicó un artículo clave en el que proponía que los campos de flujo de fluidos de baja viscosidad se dividieran en dos zonas: una capa límite delgada dominada por la viscosidad cerca de las superficies sólidas y una zona exterior efectivamente no viscosa alejada de los límites. Este concepto explicaba muchas paradojas anteriores y permitió a los ingenieros posteriores analizar flujos mucho más complejos. Sin embargo, todavía no tenemos una teoría completa sobre la naturaleza de la turbulencia, por lo que la mecánica de fluidos moderna sigue siendo una combinación de resultados experimentales y teoría. [21]
El ingeniero hidráulico moderno utiliza los mismos tipos de herramientas de diseño asistido por computadora (CAD) que muchas de las otras disciplinas de ingeniería y, al mismo tiempo, hace uso de tecnologías como la dinámica de fluidos computacional para realizar los cálculos para predecir con precisión las características del flujo, el mapeo GPS para ayudar a localizar las mejores rutas para instalar un sistema y herramientas de topografía basadas en láser para ayudar en la construcción real de un sistema.
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