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 , cauces , canales y diques , y con la ingeniería tanto sanitaria como ambiental .
La ingeniería hidráulica es la aplicación de los principios de la mecánica de fluidos a problemas relacionados con la recolección, almacenamiento, control, transporte, regulación, medición y uso del agua. [1] Antes de comenzar un proyecto de ingeniería hidráulica, es necesario calcular cuánta agua se utiliza. El ingeniero hidráulico se ocupa del transporte de sedimentos por el río, la interacción del agua con su límite aluvial y la ocurrencia de socavación y deposición. [1] "El ingeniero hidráulico en realidad desarrolla diseños conceptuales para las diversas características que interactúan con el agua, como aliviaderos y obras de salida para presas, alcantarillas para carreteras, canales y estructuras relacionadas para proyectos de riego, e instalaciones de agua de refrigeración 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 los 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 los 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 toda la masa de fluido. La presión, p, en una determinada masa de fluido, aumenta con el aumento de la profundidad. Donde la fuerza hacia arriba sobre un cuerpo actúa sobre la base y se puede encontrar mediante la ecuación:
dónde,
Reorganizando esta ecuación se obtiene la carga de presión . Cuatro dispositivos básicos para medir la presión son un piezómetro , un manómetro , un manómetro diferencial, un manómetro de Bourdon y un manómetro inclinado. [1]
Como afirma Prasuhn:
La principal diferencia entre un fluido ideal y un fluido real es que para flujo ideal p 1 = p 2 y para flujo real p 1 > p 2 . El fluido ideal es incompresible y no tiene viscosidad. El fluido real tiene viscosidad. El fluido ideal es sólo 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 Pascle, mientras que un fluido ideal no se deforma.
Los diversos efectos de la perturbación sobre un flujo viscoso son estable, de transición e inestable.
Para un fluido ideal, la ecuación de Bernoulli se cumple a lo largo de las líneas de corriente.
Cuando el flujo entra en contacto con la placa, la capa de fluido en realidad se "adhiere" a una superficie sólida. Entonces se produce una acción de corte considerable entre la capa de fluido sobre la superficie de la placa y la segunda capa de fluido. Por lo tanto, la segunda capa se ve obligada a desacelerar (aunque no se detiene del todo), creando una acción de corte con la tercera capa de fluido, y así sucesivamente. A medida que el fluido avanza junto con la placa, la zona en la que se produce la acción de corte tiende a extenderse más hacia afuera. Esta zona se conoce como "capa límite". El flujo fuera de la capa límite está libre de fuerzas cortantes 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 la tensión esté presente. [3] El flujo dentro de la capa puede ser vicioso o turbulento, dependiendo del número de Reynolds. [1]
Los temas comunes de diseño para los ingenieros hidráulicos incluyen estructuras hidráulicas como presas , diques , redes de distribución de agua, incluido el suministro de agua doméstica y contra incendios, sistemas de 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 del transporte y la ingeniería geotécnica . Las ecuaciones desarrolladas a partir de los principios de la dinámica de fluidos y la mecánica de fluidos son ampliamente utilizadas por otras disciplinas de la ingeniería, como los ingenieros mecánicos, aeronáuticos e incluso de tráfico.
Las ramas relacionadas incluyen hidrología y reología, mientras que las aplicaciones relacionadas incluyen modelado hidráulico, mapeo de inundaciones, planes de gestión de inundaciones de cuencas, planes de gestión de costas, estrategias de estuarios, protección costera y alivio de inundaciones.
Los primeros usos de la ingeniería hidráulica fueron para irrigar cultivos y se remontan al Medio Oriente y África . El control del movimiento y suministro de agua para el cultivo de alimentos se ha utilizado durante miles de años. Una de las primeras máquinas hidráulicas, el reloj de agua, se utilizó a principios del segundo milenio antes de Cristo. [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 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 construyeron enormes canales 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. A Ximen Bao , otro importante ingeniero hidráulico en China, se le atribuye haber iniciado la práctica del riego de 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 siendo 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 al cultivo de los alrededores. 1000 a.C. [6] Estas terrazas de arroz son terrazas de 2.000 años de antigüedad que fueron excavadas en las montañas de Ifugao en Filipinas por los antepasados de los pueblos indígenas . Las Terrazas de Arroz son comúnmente conocidas como la " Octava Maravilla del Mundo ". [7] [8] [9] Comúnmente se piensa que las terrazas se construyeron con un equipamiento mínimo, en gran parte a mano. Las terrazas están ubicadas aproximadamente a 1500 metros (5000 pies) sobre el nivel del mar. Se alimentan de un antiguo sistema de riego procedente de las selvas tropicales situadas encima de las terrazas. Se dice que si los pasos se pusieran de punta a punta, rodearía la mitad del mundo. [10]
Eupalinos de Megara fue un ingeniero griego antiguo que construyó el Túnel de Eupalinos en Samos en el siglo VI a. C., una importante hazaña de la ingeniería civil e hidráulica. El aspecto de ingeniería civil de este túnel fue que fue excavado 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 tuvo un gran desarrollo en Europa bajo la égida del Imperio Romano donde se aplicó especialmente a la construcción y mantenimiento de acueductos para suministrar agua y evacuar aguas residuales de sus ciudades. [3] Además de satisfacer las necesidades de sus ciudadanos, utilizaron métodos de minería hidráulica para prospectar y extraer depósitos de oro aluvial en una técnica conocida como silencio , y aplicaron los métodos a otros minerales como los de estaño y plomo .
En el siglo XV, el Imperio somalí de Ajuran era el único imperio hidráulico de África. Como imperio hidráulico, el estado de Ajuran monopolizó los recursos hídricos de los ríos Jubba y Shebelle . A través de la ingeniería hidráulica, también construyó muchos de los pozos y cisternas de piedra caliza del estado que aún están operativos y en uso en la actualidad. Los gobernantes desarrollaron nuevos sistemas para la agricultura y los impuestos , que continuaron utilizándose en partes del Cuerno de África hasta el siglo XIX. [11]
Otros avances en ingeniería hidráulica se produjeron en el mundo musulmán 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 fundamental para la Revolución Verde Islámica . [12] Los diversos componentes de este 'juego de herramientas' se desarrollaron en diferentes partes de la masa continental afroeurasiática , tanto dentro como fuera del mundo islámico. Sin embargo, fue en las tierras medievales islámicas donde se armó y estandarizó el complejo tecnológico, para posteriormente difundirse al resto del Viejo Mundo. [13] Bajo el gobierno de un único califato islámico , diferentes tecnologías hidráulicas regionales se ensamblaron en "un complejo tecnológico identificable de gestión del agua que iba a tener 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 volante de la España islámica, [14] la bomba de succión alternativa [15] [16] [17] y el mecanismo de cigüeñal - biela de Irak , [18] [19] y el sistema de suministro de agua hidroeléctrico y engranado de Siria . [20]
En muchos aspectos, los fundamentos de la ingeniería hidráulica no han cambiado desde la antigüedad. Los líquidos todavía se mueven en su mayor parte por gravedad a través de sistemas de canales y acueductos, aunque los depósitos de suministro ahora pueden llenarse mediante bombas. La necesidad de agua ha aumentado constantemente desde la antigüedad y el papel del ingeniero hidráulico es fundamental para suministrarla. Por ejemplo, sin los esfuerzos de personas como William Mulholland, el área 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 ocurre con muchas de las ciudades más grandes de nuestro mundo. De la misma manera, 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 un tanto paralela a lo que ocurrió en California, la creación de la Autoridad del Valle de Tennessee (TVA) trajo trabajo y prosperidad al Sur mediante la construcción de represas 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 racionalizaciones. Isaac Newton (1642-1727) al formular las leyes del movimiento y su ley de 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 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, proponiendo que los campos de flujo de fluidos de baja viscosidad se dividieran en dos zonas, a saber, una capa límite delgada, dominada por la viscosidad, cerca de las superficies sólidas, y una zona exterior efectivamente invisible lejos de los límites. Este concepto explicó 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 teoría y resultados experimentales. [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 utiliza tecnologías como la dinámica de fluidos computacional para realizar cálculos para predecir con precisión las características del flujo, mapeo GPS para ayudar a localizar los mejores caminos para instalar un sistema y herramientas topográficas basadas en láser para ayudar en la construcción real de un sistema.
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