Historia de la Hidráulica

La ingeniería Hidráulica es tan antigua como la civilización misma. Esto es evidente si se piensa en la lucha del hombre por la supervivencia, que lo obligó a aprender a utilizar y controlar el agua. Por esto, las civilizaciones antiguas se desarrollaron en las proximidades de los grandes ríos y basaron su economía en la agricultura. Paulatinamente fueron utilizando el riego en sus formas primitivas.

Del año 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. Después, básicamente s lo 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 Newton, Bernouilli y Euler perfeccionaron dichas teorías.

El primer modelo físico hidráulico fue construido en el año 1795 por el ingeniero Luís Jerónimo Fargue sobre un tramo del Río Garona. 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 fricción interna era de gran importancia para el diseño de los modelos hidráulicos. Hoy en día, esta 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 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 aparecieron en casi todos los países del mundo; hoy en día hay más de un centenar.

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Desarrollo Hidráulico en México

Para lograr un mejor aprovechamiento y preservación del agua en el país, la Secretaría de Medio Ambiente, Recursos Naturales y Pesca (SEMARNAP), a través de la Comisión Nacional del Agua (CNA), desarrolla un importante proceso de cambio que promueve la participación de los usuarios y plantea un manejo del agua por cuencas hidrológicas, en lugar del que tradicionalmente se hacía por entidades federativas, ya que es precisamente en la cuenca donde el agua ocurre y se distribuye de manera natural.

Así se definieron 13 Organismos de Cuenca que incluyen a las 314 cuencas del país. Esto obedeció al decreto presidencial con fecha 18 de mayo de 1998 publicado en el diario oficial de la federación.

Organismo de Cuenca Frontera Sur (región XI), con sede en la ciudad de Tuxtla Gutiérrez, Chiapas, tiene como circunscripción 4 estados del Sureste de la República Mexicana, los cuales son; Chiapas, Oaxaca, Tabasco y Campeche. De los cuales le corresponde a este Organismo de Cuenca la atención de 132 municipios dentro de la las regiones hidrológicas; Costa de Chiapas (23) y Grijalva - Usumacinta (Alto Grijalva (30-A), Bajo Grijalva (30-B) y Usumacinta (30-C)).

El Organismo de Cuenca Frontera Sur cuenta con una superficie de 103,480 km2, lo que representa un 5% del territorio nacional. El área de influencia del Organismo de Cuenca esta distribuida de la siguiente manera:

• 73% correspondiente al estado de Chiapas
• 24% correspondiente al estado de Tabasco
• 2% correspondiente al estado de Oaxaca
• 1% correspondiente al estado de Campeche

El Organismo de Cuenca Frontera Sur, tiene una disponibilidad del recurso hidráulico de 164 km3(28,400 m3/ habitante / año), de los cuales solo 2 km3 son aprovechados. Comparando la disponibilidad nacional (480 km3), con la que se encuentra en la Región XI, se puede decir que esta Región posee una alta disponibilidad del recurso , ya que esta es igual al 30 % de la disponibilidad nacional.

Su función

Entre sus funciones están: administrar y custodiar las aguas nacionales, así como los bienes que se vinculan a éstas, de conformidad con las disposiciones jurídicas aplicables, además de vigilar el cumplimiento de la Ley de Aguas Nacionales y proveer lo necesario para la preservación de su calidad y cantidad para lograr su uso integral sustentable.

También está encargada de estudiar, normar, proyectar, promover, construir, vigilar, administrar, operar, conservar y rehabilitar la infraestructura hidráulica, así como las obras complementarias que correspondan al Gobierno Federal.

En la parte superior izquierda, en el menú de clima podrá encontrar la información sobre boletines de información hidrométrica, climatológicas y de presas, así como el boletín de pronósticos meteorológicos.

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Tipos de Presión.

Existen varios tipos de presión. Las podemos clasificar de la siguiente manera:

1. Presión atmosférica.
2. Presión absoluta.
3. Presión relativa.

Pero antes de tratar sobre las diferencias entre estas presiones, vamos a definir qué es la presión en si misma.
La presión es el cociente entre la fuerza normal que incide sobre una superficie o cuerpo y el valor del cuerpo o la superficie. De esta forma obtenemos esta fórmula:

Presión atmosférica.

Torricelli realizó un experimento que consistía en verter mercurio en un tubo de vidrio, colocó el tubo de vidrio en una cubeta rellena de mercurio, dejando la parte abierta del tubo dentro de la cubeta y la parte cerrada en el exterior de la cubeta. Realizando dichas operaciones, observó que el mercurio quedaba a determinada altura dentro del tubo. Pero lo curioso del experimento era que la altura en que quedaba el mercurio dentro del tubo, variaba dependiendo de la altitud y de ciertas condiciones climatológicas. Al hacerlo sobre el nivel del mar, la altura del mercurio alcanzaba los 760 mm. A este valor se le denominó 1 atmósfera.



La presión atmosférica es la presión que ejerce la atmósfera sobre todos los cuerpos de la tierra o que están en el interior de la atmósfera.

Peso específico.

Antes de continuar tratando de las presiones, debemos aclarar que es el peso específico de un líquido y de un gas.
Se denomina peso específico de un gas o líquido al peso de la unidad de su volumen.
Tanto la temperatura como la presión influyen en el peso específico, por este motivo se acostumbra a indicar éstos valores cuando se da el valor del peso específico, normalmente en Kg/m³ o en gr/cm³.

Presión absoluta.

Se denomina presión absoluta a la presión que soporta un sistema respecto al cero absoluto. Para poder decir que existe sobrepresión la presión absoluta debe ser superior a la presión atmosférica.
Sin embargo, cuando la presión absoluta es inferior a la presión atmosférica decimos que existe una depresión.
Para complicar un poco el asunto, diremos que la sobrepresión y la depresión son la presión relativa.
Hay que tener en cuenta, que tanto la presión absoluta (P_ab) como la presión relativa (P_r) están en función de la presión atmosférica (P₀).

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Tipos de flujos

Los flujos en los que la viscosidad de un fluido no es despreciable pueden ser de dos tipos, laminares o turbulentos. La diferencia básica entre los dos tipo de flujo fue drásticamente demostrada en 1883 por Osborne Reynolds (1842–1912), por medio de un experimento en que se inyectó un delgado chorro de tinta en medio del flujo de agua a través de un tubo transparente.

Para tasas de flujo bajas, se observó que el flujo del chorro de tinta seguía un camino recto y definido, lo que indicaba que el fluido se había trasladado en capas paralelas (láminas), sin movimientos de mezcla macroscópica entre las capas. Este tipo de comportamiento se llama flujo laminar.

Al incrementarse el caudal más allá de un cierto valor crítico el chorro de tinta se observó que la misma se dividía conformando un movimiento irregular y extendido por toda la sección transversal del tubo, lo que indicaba la presencia en el fluido de movimientos macroscópicos de mezcla perpendicular a la dirección del flujo.

Dicho movimiento del fluido con características caóticas se llama flujo turbulento. Reynolds demostró que la transición de flujo laminar a flujo turbulento siempre se produjo en un valor crítico fijo del parámetro llamado número de Reynolds, definido como Re = Vd / ν ~ 3000, donde V es la velocidad promedio del fluido a través de la sección transversal, d es el diámetro del tubo, y ν es la viscosidad cinemática del fluido.

De tal modo, si se considera las condiciones de flujo de un fluido dado, un número de Reynolds bajo corresponderá a flujo laminar, mientras que un número de Reynolds suficientemente alto corresponderá a un flujo turbulento.

Un ejemplo que cotidianamente observamos de transición entre estos dos tipos de flujos es el del humo de un cigarro. Al principio el humo sale del mismo conformando una especie de tubo ascendente (flujo laminar), pero rápidamente cuando su velocidad aumenta y se ensancha el área de flujo, el mismo se transforma en un flujo turbulento, caracterizado por la formación de remolinos y el entrecruzamiento de líneas de flujo.

Algunas de las características de los flujos turbulentos son las siguientes:

Aleatoriedad: los flujos turbulentos parecen irregulares, caóticos e impredecibles.

No Linealidad: Los flujos turbulentos son altamente no lineales en su comportamiento, por lo cual no es posible describirlos con aproximaciones lineales de la ecuación de Navier-Stokes, sino que los términos no lineales de la misma juegan un papel importante en el flujo modelado.

Difusividad: Debido a la mezcla macroscópica de partículas, este tipo de flujos se caracterizan por un rápido ritmo de difusión de momentum y calor.

Vorticidad: La turbulencia se caracteriza por altos niveles de vorticidad fluctuante. Las estructuras identificables en un flujo de este tipo son denominadas genéricamente remolinos. La visualización de flujos turbulentos muestra varias estructuras de este tipo que se unen , se dividen, se estiran y se contraen, y por sobre todo giran. Típicamente, la turbulencia se caracteriza por presentar un gran rango en el tamaño de dichos remolinos, donde los remolinos mayores pueden presentar un diámetro del orden del ancho característico de la zona donde se presenta el flujo turbulento, siendo estos remolinos mayores los que contienen la mayor parte de la energía asociada al flujo.

La energía es traspasada desde los remolinos mayores a los remolinos más pequeños por medio de interacciones no lineales, hasta que la misma es disipada por la difusión viscosa en los remolinos más pequeños cuyo diámetro puede ser del orden de los milímetros.

Disipación: El mecanismo de estrechamiento de los vórtices transfiere energía y vorticidad a escalas cada vez menores, hasta que los gradientes se hacen lo suficientemente grandes, como para resultar disipados por medio de la viscosidad. Por lo tanto los flujos turbulentos requieren un suministro continuo de energía para mantenerse en ese estado, de modo de compensar las pérdidas viscosas.

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NUMERO Y EXPERIMENTO DE REYNOLDS:

Un flujo láminar se define como aquel en que el fluido se mueve en capas o láminas, deslizándose suavemente unas sobre otras y existiendo sólo intercambio de molecular entre ellas. Cualquier tendencia hacia la inestabilidad o turbulencia se amortigua por la acción de las fuerzas cortantes viscosas que se oponen al movimiento relativo de capas de fluido adyacentes entre sí. Por otro lado, en un flujo turbulento, el movimiento de las partículas es muy errático y se tiene un intercambio transversal de cantidad de movimiento muy intenso.

El Número de Reynolds permite caracterizar la naturaleza del flujo, es decir, si se trata de un flujo laminar o de un flujo turbulento, además, indica la importancia relativa de la tendencia del flujo hacia un régimen turbulento respecto de uno laminar y la posición relativa de este estado dentro de una longitud determinada.

Reynolds estudió dos escurrimientos geométricamente idénticos, de esto pudo concluir que dichos flujos serian dinámicamente semejantes si las ecuaciones diferenciales que describían a cada uno estos eran idénticas.

Dos escurrimientos son dinámicamente semejantes cuando:

• Ambos sistemas son geométricamente semejantes, es decir, cuando se tiene una relación constante entre dimensiones de longitudes correspondientes.
• Las correspondientes familias de líneas de corriente son geométricamente semejantes o las presiones en puntos correspondientes forman una relación constante.

Al cambiar las unidades de mas, longitud y tiempo en un grupo de ecuaciones y al determinar las condiciones necesarias para hacerlas idénticas a las originales, Reynolds encontró que el parámetro adimensional ÞDv/u debía ser igual en ambos casos. En este parámetro v es la velocidad característica, D es el diámetro de la tubería, Þ es la densidad del fluido y u es su viscosidad. Este parámetro se conoce como numero de Reynolds (R).

Para encontrar el significado físico de tal parámetro adimensional, Reynolds llevo a cabo sus famosos experimentos a través de tubos de vidrio. Coloco un tubo de vidrio horizontalmente con una válvula en uno de sus extremos y un tanque de alimentación en otro. La entrada al tubo tenía una forma de campana y su superficie era bastante lisa. Reynolds dispuso, además, de un sistema para inyectar tinta en forma de corriente sumamente fina en cualquier punto de la entrada al tubo.

Para gastos pequeños, la corriente de tinta se presentaba como un delgado filamento a lo largo del tubo, indicando que se trataba de un régimen laminar. Al incrementar el gasto (aumentando, por consiguiente el número de Reynolds) se alcanzaba la condición en que el filamento de tinta presentaba características oscilantes hasta que súbitamente se rompía, difundiéndose la tinta a todo lo ancho del tubo. En estas condiciones, el flujo había cambiado a régimen turbulento, con su característico intercambio brusco de cantidad de movimiento; al llevar a cabo las pruebas cuidadosamente Reynolds obtuvo un valor R = 12000 antes de que se presentara la turbulencia. En investigaciones posteriores, equipo original de Reynolds, se lograron valores hasta de 40000, al permitir que el agua en el tanque estuviera en calma por varios días antes del experimento y al tomar precauciones a fin de evitar vibraciones en el agua y en el equipo.

Estos índices, conocidos como números críticos de Reynolds no tienen significado práctico alguno, ya que en tuberías ordinarias existen irregularidades que ocasionan el paso al régimen turbulento para valores mucho menores al del número de Reynolds.

Al proceder de manera inversa en el tubo de vidrio, Reynolds encontró que el flujo turbulento siempre pasaba a ser laminar, cuando al disminuir la velocidad se hacia que R valiera menos de 2000. Este índice es el número critico inferior de Reynolds para el flujo de tubos y sí tiene importancia practica. Para tuberías convencionales, el flujo cambiará de laminar a turbulento cuando el número de Reynolds se encuentre en el rango de 2000 a 4000.

Una característica distintiva entre el flujo laminar y el turbulento es que las perdidas en el laminar son proporcionales a la velocidad promedio, mientras en el turbulento son proporcionales a una potencia de la velocidad que varia entre 1.7 y 2.0.

El número de Reynolds se puede interpretar como la relación entre el esfuerzo cortante t _f debido a la turbulencia y el esfuerzo cortante t n debido a la viscosidad. En efecto, si se aplica la ecuación de cantidad de movimiento al flujo a través de un elemento de área d A, se puede determinar el esfuerzo cortante aparente debido a la turbulencia: si v` es la velocidad perpendicular a d A y u` es la diferencia de velocidades, o la fluctuación de velocidad, entre dos caras del elemento, entonces, la fuerza cortante d F que ahí actúa es:

d F = r v`d Au`

donde r v`d A es la masa por segundo de fluido que cambia su cantidad de movimiento, y u` corresponde a la velocidad final menos la velocidad inicial en dirección s. Al dividir toda la expresión entra d A, se obtiene el esfuerzo cortante t _f debido a las fluctuaciones turbulentas,

t _f = r v`u`

El esfuerzo cortante debido a la viscosidad se puede escribir como

t n = m u`/ l

donde u` se puede interpretar como el cambio de velocidad en la distancia l, medida perpendicularmente a la velocidad. El cociente

t _f /t n = r v`l / m

tiene entonces la forma del número de Reynolds.

La naturaleza de determinado flujo incompresible se puede caracterizar mediante su número de Reynolds. Para valores grandes de R, uno o todos los factores en el numerador resultan grandes, comparados con el denominador. Esto implica una gran expansión en el conducto del fluido, una velocidad alta, una gran densidad, una viscosidad extremadamente pequeña o combinaciones de estos extremos. Los términos en el numerador se relacionan con las fuerzas de inercia, es decir, las fuerzas debidas a la aceleración o desaceleración del fluido. El termino en el denominador es la causa de las fuerzas cortantes viscosas. De esta manera, también se puede considerar el número de Reynolds como el cociente entre las fuerzas de inercia y las fuerzas viscosas. Un número de Reynolds grande indica que el flujo es altamente turbulento con las pérdidas proporcionales al cuadrado de la velocidad. La turbulencia puede ser de escala pequeña caracterizada por remolinos muy pequeños, los cuales convierten rápidamente la energía mecánica en irreversibilidades a través de la acción viscosa; o puede ser de escala grande, como en el caso de lo remolinos mas o menos definidos que se forman en los ríos o en la zona de la atmósfera en inmediato contacto con la superficie terrestre. Los grandes remolinos generan remolinos mas pequeños, los cuales a su ves dan lugar a la turbulencia de escala pequeña. Se puede imaginar al flujo turbulento como un flujo regular, posiblemente uniforme, en el cual se tuviera sobreimpuesto un flujo secundario. En la turbulencia de escala pequeña se tienen fluctuaciones de velocidad que se caracterizan por una frecuencia alta; la raíz media cuadrada de estas fluctuaciones y la frecuencia de cambio de su signo son medidas cuantitativas de la turbulencia. En general, la intensidad de la turbulencia aumenta conforme lo hace el número de Reynolds.

Para valores intermedios de R, tanto los efectos viscosos como los inerciales son de importancia y los cambios en la viscosidad afectan a la distribución de las velocidades y a la resistencia al flujo.

Dos conductos cerrados geométricamente semejantes con el mismo número de Reynolds (por ejemplo uno con el doble del tamaño del otro), tienen la misma relación entre pérdidas y carga de velocidad; de esta manera, se concluye que mediante el número de Reynolds se pueden predecir los resultados en determinado escurrimento en un fluido, utilizando los resultados experimentales de un caso semejante con un fluido diferente.

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