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Hidráulica

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Hidráulica

  1. 1. HidráulicaLa hidráulica es una rama de la física y la ingeniería que se encarga del estudio de laspropiedades mecánicas de los fluidos. Todo esto depende de las fuerzas que seinterponen con la masa (fuerza) y empuje de la misma.EtimologíaLa palabra hidráulica viene del griego ὑδϱαυλικός (hydraulikós) que, a su vez, viene detubo de agua", palabra compuesta por ὕδωϱ (agua) y αὐλός (tubo). Aplicación de lamecánica de fluidos en ingeniería, usan dispositivos que funcionan con líquidos, por logeneral agua y aceite como las maquinas ejemplo: caladora, carros, ETC[editar] Historia[editar] Egipto y GreciaLas civilizaciones más antiguas se desarrollan a lo largo de los ríos más importantes dela Tierra, como el Tigris e Indo. La experiencia y la intuición guiaron a estascomunidades en la solución de los problemas relacionados con las numerosas obrashidráulicas necesarias para la defensa ribereña, el drenaje de zonas pantanosas, el uso delos recursos hídricos, la navegación.En las civilizaciones de la antigüedad, estos conocimientos se convirtieron en privilegiode una casta sacerdotal. En el antiguo Egipto los sacerdotes se transmitían, degeneración en generación, las observaciones y registros, mantenidos en secreto, respectoa las inundaciones del río, y estaban en condiciones, con base en éstos, de hacerprevisiones que podrían ser interpretadas fácilmente a través de adivinacionestransmitidas por los dioses. Fue en Egipto donde nació la más antigua de las cienciasexactas, la geometría que, según el historiador griego Heródoto, surgió a raíz deexigencias catastrales relacionadas con las inundaciones del río Nilo.Con los griegos la ciencia y la técnica pasan por un proceso de desacralización, a pesarde que algunas veces se relegan al terreno de la mitología.Tales de Mileto, de padre griego y madre fenicia, atribuyó al agua el origen de todas lascosas. La teoría de Tales de Mileto, al igual que la teoría de los filósofos griegossubsecuentes del período jónico, encontrarían una sistematización de sus principios enla física de Aristóteles. Física que, como se sabe, está basada en los cuatro elementosnaturales, sobre su ubicación, sobre el movimiento natural, es decir hacia susrespectivas esferas, diferenciado del movimiento violento. La física antigua se basa enel sentido común, es capaz de dar una descripción cualitativa de los principalesfenómenos, pero es absolutamente inadecuada para la descripción cuantitativa de losmismos.Las primeras bases del conocimiento científico cuantitativo se establecieron en el sigloIII a. C. en los territorios en los que fue dividido el imperio de Alejandro Magno, y fueAlejandría el epicentro del saber científico. Euclides recogió, en los Elementos, el
  2. 2. conocimiento precedente acerca de la geometría. Se trata de una obra única en la que, apartir de pocas definiciones y axiomas, se deducen una infinidad de teoremas. LosElementos de Euclides constituirán, por más de dos mil años, un modelo de cienciadeductiva de un insuperable rigor lógico. Arquímedes de Siracusa estuvo en contactoepistolar con los científicos de Alejandría.Arquímedes realizó una gran cantidad de descubrimientos excepcionales. Uno de ellosempezó cuando Cerón reinaba en Siracusa. Quiso ofrecer a un santuario una corona deoro, en agradecimiento por los éxitos alcanzados. Contrató a un artista con el que pactóel precio de la obra y además le entregó la cantidad de oro requerida para la obra. Lacorona terminada fue entregada al rey, con la plena satisfacción de éste, y el pesotambién coincidía con el peso de oro entregado. Un tiempo después, sin embargo, Ceróntuvo motivos para desconfiar de que el artista lo había engañado sustituyendo una partedel oro con plomo, manteniendo el mismo peso. Indignado por el engaño, pero noencontrando la forma de demostrarlo, solicitó a Arquímedes que estudiara la cuestión.Absorto por la solución de este problema, Arquímedes observó un día, mientras tomabaun baño en una tina, que cuando él se sumergía en el agua, ésta se derramaba hacia elsuelo. Esta observación le dio la solución del problema. Saltó fuera de la tina y,emocionado, corrió desnudo a su casa, gritando: “Eureka! Eureka!” (que, en griego,significa: "¡Lo encontré, lo encontré!").Arquímedes fue el fundador de la hidrostática, y también el precursor del cálculodiferencial: recuérdese su célebre demostración del volumen de la esfera, y en conjuntocon los científicos de Alejandría no desdeñó las aplicaciones a la ingeniería de losdescubrimientos científicos, tentando disminuir la brecha entre ciencia y tecnología,típica de la sociedad de la antigüedad clásica, sociedad que, como es bien sabido, estababasada en la esclavitud.En el campo de la hidráulica él fue el inventor de la espiral sin fin, la que, al hacerlagirar al interior de un cilindro, es usada aun hoy para elevar líquidos.Véase también el capítulo referente al tornillo de Arquímedes[editar] Los romanosLos antiguos romanos, que difundieron en todo el Mediterráneo la vida urbana, basaronel bienestar y el buen vivir especialmente en la disponibilidad de abundante cantidad deagua. Se considera que los acueductos suministraban más de un millón de m³ de agua aldía a la Roma Imperial, la mayor parte distribuida a viviendas privadas por medio detubos de plomo. Llegaban a Roma por lo menos una docena de acueductos unidos a unavasta red subterránea.
  3. 3. Pont du Gard a Nîmes.Para construir el acueducto Claudio, se requirieron, por 14 años consecutivos más de 40mil carros de tufo por año.En las provincias romanas los acueductos atravesaron con frecuencia profundos valles,como en Nîmes, donde el “Pont du Gard” de 175 m de longitud tiene una altura máximade 49 m, y en Segovia, en España, donde el puente-acueducto de 805 m de longitudtodavía funciona.Los romanos excavaron también canales para mejorar el drenaje de los ríos en todaEuropa y, menos frecuentemente para la navegación, como es el caso del canal Rin-Mosa de 37 km de longitud. Pero sin duda en este campo la obra prima de la ingenieríadel Imperio romano es el drenaje del lago Fucino, a través de una galería de 5,5 km pordebajo de la montaña. Esta galería solo fue superada en el 1870 con la galeríaferroviaria del Moncenisio. El “Portus Romanus, completamente artificial, se construyódespués del de Ostia, en el tiempo de los primeros emperadores romanos. Su bahíainterna, hexagonal, tenía una profundidad de 4 a 5 m, un ancho de 800 m, muelle deladrillo y mortero, y un fondo de bloques de piedra para facilitar su dragado.[editar] La generación de energía
  4. 4. Rueda hidráulica.La principal fuente no viviente de energía de la antigüedad fue el llamado “molino”griego, constituido por un eje de madera vertical, en cuya parte inferior había una seriede paletas sumergidas en el agua. Este tipo de molino fue usado principalmente paramoler los granos, el eje pasaba a través de la máquina inferior y hacía girar la máquinasuperior, a la cual estaba unido. Molinos de este tipo requerían una corriente veloz, yseguramente se originaron en las regiones colinares del Medio Oriente, a pesar de quePlinio el Viejo atribuye la creación de los molinos de agua para moler granos al norte deItalia. Estos molinos generalmente eran pequeños y más bien lentos, la piedra de molergiraba a la misma velocidad que la rueda, tenían por lo tanto una pequeña capacidad demolienda, y su uso era puramente local. Sin embargo pueden ser considerados losprecursores de la turbina hidráulica, y su uso se extendió por más de tres mil años.El tipo de molino hidráulico con eje horizontal y rueda vertical se comenzó a construiren el siglo I a. C. por el ingeniero militar Marco Vitruvio Polione. Su inspiración puedehaber sido la rueda persa o “saqíya”, un dispositivo para elevar el agua, que estabaformado por una serie de recipientes dispuestos en la circunferencia de la rueda que sehace girar con fuerza humana o animal. Esta rueda fue usada en Egipto (Siglo IV a. C.).La rueda hidráulica vitruviana, o rueda de tazas, es básicamente una rueda que funcionaen el sentido contrario. Diseñada para moler grano, las ruedas estaban conectadas a lamáquina móvil por medio de engranajes de madera que daban una reducción deaproximadamente 5:1. Los primeros molinos de este tipo eran del tipo en los que elagua pasa por debajo.Más tarde se observó que una rueda alimentada desde arriba era más eficiente, alaprovechar también la diferencia de peso entre las tazas llenas y las vacías. Este tipo derueda, significativamente más eficiente requieren una instalación adicional considerablepara asegurar el suministro de agua: generalmente se represaba un curso de agua, demanera a formar un embalse, desde el cual un canal llevaba un flujo regularizado deagua a la rueda.Serrería romana de Hierápolis. Del siglo III de la Era Cristiana, es la muestra másantigua del mecanismo biela-manivela.1 2 3Este tipo de molino fue una fuente de energía mayor a la que se disponía anteriormente,y no solo revolucionó la molienda de granos, sino que abrió el camino a lamecanización de muchas otras operaciones industriales. Un molino de la época romanadel tipo alimentado por debajo, en Venafro, con una rueda de 2 m de diámetro podíamoler aproximadamente 180 kg de granos en una hora, lo que correspondeaproximadamente a 3 caballos vapor, en comparación, un molino movido por un asno, opor dos hombres podía apenas moler 4,5 kg de grano por hora.
  5. 5. Desde el siglo IV d. C. en el Imperio romano se instalaron molinos de notablesdimensiones. En Barbegal, en las proximidades de Arlés, en el 310, se usaron paramoler granos 16 ruedas alimentadas desde arriba, que tenían un diámetro de hasta 2,7 mcada una. Cada una de ellas accionaba, mediante engranajes de madera dos máquinas:La capacidad llegaba a 3 toneladas por hora, suficientes para abastecer la demanda deuna población de 80 mil habitantes, la población d Arles en aquella época nosobrepasaba las 10 mil personas, es por lo tanto claro que abastecía a una vasta zona.Es sorprendente que el molino de Vitruvio no se popularizara, en el Imperio romanohasta el tercero o cuarto siglo. Siendo disponible en la época los esclavos y otra manode obra a bajo precio, no había un gran incentivo para promover una actividad querequería la utilización de capital, se dice además que el emperador Vespasiano (69 –79 d. C.) se habría opuesto al uso de la energía hidráulica porque esta habría provocadola desocupación.[editar] La rueda hidráulicaRuedas de agua en Hama - Siria.En la Edad Media, la rueda hidráulica fue ampliamente utilizada en Europa para unagran variedad de usos industriales El Domesday Book, el catastro inglés elaborado en el1086, por ejemplo reporta 5.624 molinos de agua, todos del tipo vitruviano. Estosmolinos fueron usados para accionar aserraderos, molinos de cereales y para minerales,molinos con martillos para trabajar el metal o para batanes, para accionar fuelles defundiciones y para una variedad de otras aplicaciones. De este modo tuvieron tambiénun papel importante en la redistribución territorial de la actividad industrial.
  6. 6. Otra forma de energía desarrollada en la Edad Media fue el molino de viento.Desarrollado originalmente en Persia en el siglo VII, parece que tuvo su origen en lasantiguas ruedas de oraciones accionadas por el viento utilizadas en Asia central. Otrahipótesis plausible pero no demostrada, es la de que el molino de viento se derivaría delas velas de los navíos. Durante el siglo X estos molinos eólicos fueron ampliamenteutilizados en Persia, para bombear agua. Los molinos persas estaban constituidos poredificios de dos pisos, en el piso inferior se encontraba una rueda horizontal accionadapor 10 a 12 alas adaptadas para captar el viento, conectadas a un eje vertical quetransmitía el movimiento a la máquina situada en el piso superior, con una disposiciónque recuerda los molinos de agua griegos. Los molinos de viento de ejes horizontales sedesarrollaron en Europa del norte entorno al siglo XIII.[editar] La hidráulica en los países árabesEn la Edad Media el islam contribuyó en forma importante al desarrollo de lahidráulica. En el área geográfica donde se ubica el primer desarrollo de la civilizaciónislámica se realizaron importantes obras hidráulicas, como por ejemplo canales para ladistribución de agua, con un uso frecuente de sifones, casi desconocidos anteriormente,pero lo que tiene más significado, el Islam aseguró la continuidad del conocimiento conlas civilizaciones antiguas, particularmente con la alejandrina. Cuando en elRenacimiento se redescubrió la civilización clásica y su ciencia, en realidad se disponíade técnicas mucho más evolucionadas que en la antigüedad y de instrumentosmatemáticos mucho más versátiles, como la numeración árabe y el álgebra, también deorigen árabe.Entre los numerosos “arquitectos” que actuaban en el Renacimiento, el mássignificativo fue Leonardo Da Vinci (1452 – 1519). A Leonardo se debe la primeraversión de la conservación de la masa en un curso de agua, en el cual el producto entrela velocidad media del agua en una sección y el área de la misma sección es constante,mientras que, siempre Leonardo observa, la velocidad del agua es máxima en el centrodel río y mínima sobre los bordes. En tiempos recientes se ha reconducido el estudio dela turbulencia al de los sistemas dinámicos que conducen al caos. Actualmente laverdadera naturaleza del movimiento turbulento no está del todo clara, y el enfoqueprobabilístico parecería no ser el simple reflejo de nuestra ignorancia, sino que reflejaríala esencia misma del fenómeno, como en otras ramas de la física.Se puede concluir que “es más fácil estudiar el movimiento de cuerpos celestesinfinitamente lejanos que el de un arroyito que corre a nuestros pies” (Galileo Galilei):“Discurso sobre dos ciencias nuevas”[editar] Ciencias de la tierra relacionadas con lahidráulicaSe relacionan íntimamente con la hidráulica las siguientes ramas de la ciencias de latierra: Mecánica de fluidos.mecánica de medios continuos que describe el movimiento de fluidos (gases y líquidos), sin tener en cuenta las causas que lo provocan (cinemática) o teniéndolas en cuenta (dinámica);
  7. 7. Hidrología, que analiza el comportamiento del agua en la naturaleza, en las diversas fases del ciclo hidrológico; Hidrogeología, que se ocupa de las aguas subterráneas; Hidrografía, que se ocupa de la descripción y estudio sistemático de los diferentes cuerpos de agua planetarios; Oceanografía, que estudia todos los procesos físicos, químicos y biológicos que se dan en el mar y en los océanos.[editar] Producción de energíaEl funcionamiento básico consiste en aprovechar la energía cinética del aguaalmacenada, de modo que accione las turbinas hidráulicas.Para aprovechar mejor el agua llevada por los ríos, se construyen presas para regular elcaudal en función de la época del año. La presa sirve también para aumentar el salto yasí mejorar su aprovechamiento.[editar] Ventajas sobre otras fuentes de energía Disponibilidad: El ciclo del agua lo convierte en un recurso inagotable. Energía limpia: No emite gases "invernadero", ni provoca lluvia ácida, ni produce emisiones tóxicas. Energía barata: Sus costes de explotación son bajos, y su mejora tecnológica hace que se aproveche de manera eficiente los recursos hidráulicos disponibles. Trabaja a temperatura ambiente: No son necesarios sistemas de refrigeración o calderas, que consumen energía y, en muchos casos, contaminan. El almacenamiento de agua permite el suministro para regadíos o la realización de actividades de recreo. La regulación del caudal controla el riesgo de inundaciones y desates de agua.[editar] Inconvenientes Su construcción y puesta en marcha requiere inversiones importantes. Además, los emplazamientos en donde se pueden construir centrales hidroeléctricas en buenas condiciones económicas son limitados. Las presas se convierten en obstáculos insalvables para especies como los salmones, que tienen que remontar los ríos para desovar. Por su parte, los embalses afectan a los cauces, provocan erosión, e inciden en general sobre el ecosistema del lugar. Empobrecimiento del agua: El agua embalsada no tiene las condiciones de salinidad, gases disueltos, temperatura, nutrientes, y demás propiedades del agua que fluye por el río. Los sedimentos se acumulan en el embalse, por lo que el resto del río hasta la desembocadura acaba empobreciéndose de nutrientes. Asimismo, puede dejar sin caudal mínimo el tramo final de los ríos, especialmente en épocas de sequía. Los emplazamientos hidráulicos suelen estar lejos de las grandes poblaciones, por lo que es necesario transportar la energía eléctrica producida a través de costosas redes.

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