Fundamentos de Hidráulica: Conceptos Clave y Definiciones Esenciales

Conceptos Fundamentales de Hidráulica y Mecánica de Fluidos

Este documento presenta una recopilación de definiciones esenciales y principios clave en el campo de la hidráulica y la mecánica de fluidos. Comprender estos términos es fundamental para el estudio y la aplicación de la ingeniería hidráulica.

Definiciones Clave

Principio de Pascal

Se ejerce una presión cualquiera en la superficie de un líquido en equilibrio, y esta presión se transmite a todas las moléculas del fluido de manera uniforme.

Régimen de Corriente Turbulento

Se caracteriza por el movimiento desigual de cada partícula, donde las partículas chocan entre sí y contra las paredes del elemento conductor, rebotan y pierden energía.

Contracción Completa en un Orificio

Los filetes líquidos que ocupan la periferia de un orificio provienen de las zonas más próximas a las paredes interiores. Tienen que deslizarse junto a las paredes y tomar una curvatura muy fuerte para salir. Esto obliga a que la vena líquida tenga una sección real de desagüe menor que la total del orificio.

Número de Reynolds

Parámetro adimensional relacionado con las características del fluido. Se define como la relación existente entre la fuerza de inercia característica y la fuerza viscosa en el interior de la corriente. Es crucial para determinar si un flujo es laminar o turbulento.

Máquina Hidráulica

Máquina que aporta energía específica a un fluido, como las bombas, o se la sustrae, como las turbinas.

Filete Líquido

Materialización de la trayectoria que sigue una partícula líquida al moverse, o es el hilo formado por el conjunto de partículas que, una tras otra, verifican constantemente el camino que realizó la primera.

Rugosidad Relativa de una Tubería

Cociente existente entre su rugosidad absoluta (k) y su diámetro interior (D). Se representa como ε = k/D. Este parámetro es fundamental para el cálculo de pérdidas de carga en tuberías.

Cavitación

Fenómeno que se produce siempre que la presión en algún punto o zona de la corriente de un líquido desciende por debajo de un valor mínimo admisible (generalmente la presión de vapor del líquido). El fenómeno puede producirse tanto en estructuras hidráulicas estáticas como en máquinas hidráulicas, causando la destrucción total del metal por erosión.

Caudal

Volumen de fluido por unidad de tiempo que atraviesa la sección transversal a la corriente. Se expresa comúnmente como Q = Volumen / Tiempo o Q = Área × Velocidad (Q = A · v).

Peso Específico

Peso por unidad de volumen. Es función de la temperatura (Tª) y de la presión, aunque en los líquidos no varía significativamente. Se define como γ = ρ · g, donde ρ es la densidad y g es la aceleración de la gravedad.

Presión

Relación entre la fuerza aplicada y la superficie sobre la que actúa (P = F/A). Se distingue entre presión absoluta (P_abs) y presión manométrica (P_mano), donde P_abs = P_mano + P_atm (presión atmosférica).

Viscosidad Dinámica

En los líquidos reales existen fuerzas de cohesión entre sus moléculas y de adhesión entre ellas y las paredes del conducto. Ello provoca que, al desplazarse, las partículas originen una fricción interna. El coeficiente de fricción interno del fluido se denomina μ (mu).

Viscosidad Cinemática

Relación entre la viscosidad dinámica (μ) y la densidad (ρ). Se define como ν = μ/ρ. Su unidad en el Sistema Internacional es m²/s, aunque comúnmente se utiliza el Stoke (St).

Esfuerzo Cortante

También conocido como esfuerzo tangencial. En estos esfuerzos, la fuerza es paralela al área sobre la que actúa y el fluido se deforma constantemente. Se representa con la letra griega τ (tau).

Tensión Superficial

Fenómeno que produce tensión en la superficie de los líquidos, donde el fluido entra en contacto con otro fluido (o con un gas). El origen de esta tensión se explica así: una molécula en el seno de un líquido está en equilibrio, ya que las fuerzas intermoleculares se anulan. Sin embargo, una molécula en la superficie experimenta una mayor atracción hacia el interior del líquido que hacia el gas exterior, lo que genera una resultante de fuerza perpendicular a la superficie y hacia el interior del líquido.

Potencia

Trabajo realizado por unidad de tiempo (P = W/t).

Corriente Permanente y Uniforme

• Flujo Permanente: Cuando, en un punto cualquiera, la velocidad de las partículas del fluido no varía con el tiempo.
• Flujo Uniforme: Cuando las condiciones de movimiento (velocidad, presión, etc.) son las mismas en todas las secciones normales a la corriente.

Tuberías de Distribución Discreta

Es una tubería portaemisores de un único material y un diámetro interior único que tiene emisiones equidistantes. La distancia entre el primer emisor y el origen de la conducción es un factor clave. Dichos emisores descargan caudal a lo largo de la conducción, por lo que el caudal origen (Q_origen = q × N, donde q es el caudal por emisor y N el número de emisores) irá disminuyendo a lo largo de la conducción y finalmente será nulo al final de la tubería.

Factores que Influyen en la Altura de Aspiración en una Instalación Elevadora

La altura máxima a la que un líquido puede ser aspirado por una bomba o sifón depende de varios factores:

• Densidad del agua: Si el agua es salada o contiene arena y tierra, aumenta su densidad y, consecuentemente, disminuye la altura de aspiración posible.
• Altitud: Si el lugar donde se encuentra el sifón o la bomba está elevado sobre el nivel del mar, disminuye la presión atmosférica y, por ende, la altura de aspiración máxima.
• Temperatura del agua: Si la temperatura del agua aumenta, se desprende vapor (presión de vapor) y, si sigue aumentando, hierve. Si la presión ambiente es baja, el agua hierve a una temperatura menor, lo que reduce drásticamente la altura de aspiración para evitar la cavitación.

Golpe de Ariete

Fenómeno transitorio que se produce en las zonas donde hay una variación brusca de velocidad en la circulación de agua (por ejemplo, por el cierre repentino de una válvula). El golpe origina una serie de sobrepresiones y depresiones que se amortiguan con el tiempo. Es un fenómeno de régimen variable, donde la tubería no es perfectamente rígida y el fluido es compresible, lo que permite la propagación de ondas de presión.

Dimensiones de Magnitudes Físicas

A continuación, se presentan las dimensiones fundamentales de algunas de las magnitudes físicas más relevantes en mecánica de fluidos, expresadas en términos de Masa (M), Longitud (L) y Tiempo (T):

• Viscosidad Cinemática (ν): L²T⁻¹
• Viscosidad Dinámica (μ): ML⁻¹T⁻¹
• Tensión Superficial (σ): MT⁻²
• Esfuerzo Cortante (τ): ML⁻¹T⁻²
• Potencia (P): ML²T⁻³
• Impulso (I): MLT⁻¹
• Caudal (Q): L³T⁻¹
• Peso Específico (γ): ML⁻²T⁻²
• Presión (P): ML⁻¹T⁻²