Hidrulica

Hidrulica e hidrosttica ilustrada.

La hidrulica es una rama de la mecnica de uidos yampliamente presente en la ingeniera que se encarga delestudio de las propiedades mecnicas de los lquidos. To-do esto depende de las fuerzas que se interponen con lamasa y a las condiciones a que est sometido el uido,relacionadas con la viscosidad de este.

1 Etimologa

La palabra hidrulica proviene del griego (hydrauliks) que, a su vez, viene de tubo de agua, pa-labra compuesta por (agua) y (tubo).

2 Historia

2.1 Egipto y Grecia

Las civilizaciones ms antiguas se desarrollaron a lo largode los ros ms importantes de la Tierra, La experienciay la intuicin guiaron a estas comunidades en la solucinde los problemas relacionados con las numerosas obrashidrulicas necesarias para la defensa riberea, el drenajede zonas pantanosas, el uso de los recursos hdricos, lanavegacin.En las civilizaciones de la antigedad, estos conocimien-tos se convirtieron en privilegio de una casta sacerdo-tal. En el antiguo Egipto los sacerdotes se transmitan,de generacin en generacin, las observaciones y regis-tros, mantenidos en secreto, respecto a las inundacionesdel ro, y estaban en condiciones, con base en stos, dehacer previsiones que podran ser interpretadas fcilmen-te a travs de adivinaciones transmitidas por los dioses.Fue en Egipto donde naci la ms antigua de las cien-cias exactas, la geometra que, segn el historiador griegoHerdoto, surgi a raz de exigencias catastrales relacio-nadas con las inundaciones del ro Nilo.Con los griegos la ciencia y la tcnica pasan por un pro-ceso de desacralizacin, a pesar de que algunas veces serelegan al terreno de la mitologa.Tales deMileto, de padre griego ymadre fenicia, atribuyal agua el origen de todas las cosas. La teora de Tales deMileto, al igual que la teora de los lsofos griegos sub-secuentes del perodo jnico, encontraran una sistemati-zacin de sus principios en la fsica de Aristteles. Fsicaque, como se sabe, est basada en los cuatro elementosnaturales, sobre su ubicacin, sobre el movimiento natu-ral, es decir hacia sus respectivas esferas, diferenciado delmovimiento violento. La fsica antigua se basa en el senti-do comn, es capaz de dar una descripcin cualitativa delos principales fenmenos, pero es absolutamente inade-cuada para la descripcin cuantitativa de los mismos.Las primeras bases del conocimiento cientco cuantitati-vo se establecieron en el siglo III a. C. en los territorios enlos que fue dividido el imperio de AlejandroMagno, y fueAlejandra el epicentro del saber cientco. Euclides reco-gi, en los Elementos, el conocimiento precedente acercade la geometra. Se trata de una obra nica en la que, apartir de pocas deniciones y axiomas, se deducen unainnidad de teoremas. Los Elementos de Euclides cons-tituirn, por ms de dos mil aos, un modelo de cienciadeductiva de un insuperable rigor lgico. Arqumedes deSiracusa estuvo en contacto epistolar con los cientcosde Alejandra.

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2 3 LUGARES EN DONDE SE DESARROLL

Arqumedes realiz una gran cantidad de descubrimien-tos excepcionales. Uno de ellos empez cuando HiernII reinaba en Siracusa. Quiso ofrecer a un santuario unacorona de oro, en agradecimiento por los xitos alcanza-dos. Contrat a un artista con el que pact el precio de laobra y adems le entreg la cantidad de oro requerida pa-ra la obra. La corona terminada fue entregada al rey, conla plena satisfaccin de ste, y el peso tambin coincidacon el peso de oro entregado. Un tiempo despus, sin em-bargo, Hiern II tuvo motivos para desconar de que elartista lo haba engaado sustituyendo una parte del orocon plomo, manteniendo el mismo peso. Indignado porel engao, pero no encontrando la forma de demostrarlo,solicit a Arqumedes que estudiara la cuestin. Absor-to por la solucin de este problema, Arqumedes observun da, mientras tomaba un bao en una tina, que cuan-do l se sumerga en el agua, sta se derramaba hacia elsuelo. Esta observacin le dio la solucin del problema.Salt fuera de la tina y, emocionado, corri desnudo a sucasa, gritando: Eureka! Eureka! (que, en griego, signi-ca: "Lo encontr, lo encontr!").Arqumedes fue el fundador de la hidrosttica, y tambinel precursor del clculo diferencial: recurdese su clebredemostracin del volumen de la esfera, y en conjunto conlos cientcos de Alejandra no desde las aplicaciones ala ingeniera de los descubrimientos cientcos, tentandodisminuir la brecha entre ciencia y tecnologa, tpica dela sociedad de la antigedad clsica, sociedad que, comoes bien sabido, estaba basada en la esclavitud.En el campo de la hidrulica l fue el inventor de la espiralsin n, la que, al hacerla girar al interior de un cilindro,es usada an hoy para elevar lquidos.Vase tambin el captulo referente al tornillo de Arqu-medes

3 Lugares en donde se desarroll

La primera central hidroelctrica moderna se construyen 1880 en Northumberland, Gran Bretaa. El renaci-miento de la energa hidrulica se produjo por el desa-rrollo del generador elctrico, seguido del perfecciona-miento de la turbina hidrulica y debido al aumento dela demanda de electricidad a principios del siglo XX. En1920 las centrales hidroelctricas generaban ya una par-te importante de la produccin total de electricidad. Entodo el mundo, este tipo de energa representa aproxima-damente la cuarta parte de la produccin total de electri-cidad, y su importancia sigue en aumento. Los pases enlos que constituye fuente de electricidad ms importanteson Noruega (99%), Zaire (97%) y Brasil (96%). La cen-tral de Itaip, en el ro Paran, est situada entre Brasil yParaguay, se inaugur en 1982 y tiene la mayor capacidadgeneradora del mundo. Como referencia, la presa GrandCoulee, en Estados Unidos, genera unos 6.500 Mw y esuna de las ms grandes.

En algunos pases se han instalado centrales pequeas,con capacidad para generar entre un kilovatio y un mega-vatio. En muchas regiones de China, por ejemplo, estaspequeas presas son la principal fuente de electricidad.Otras naciones en vas de desarrollo estn utilizando estesistema con buenos resultados.

3.1 Antigua Roma

Los antiguos romanos, que difundieron en todo el Me-diterrneo su propio modelo de vida urbana, basaron elbienestar y el buen vivir especialmente en la disponibi-lidad de abundante cantidad de agua. Se considera quelos acueductos suministraban ms de un milln de m deagua al da a la Roma Imperial, la mayor parte distribuidaa viviendas privadas por medio de tubos de plomo. Lle-gaban a Roma por lo menos una docena de acueductosunidos a una vasta red subterrnea.

Pont du Gard a Nmes.

Para construir el acueducto Claudio se requirieron, por14 aos consecutivos, ms de 40 mil carros de tufo porao.En las provincias romanas los acueductos atravesaron confrecuencia profundos valles, como en Nmes, donde elPont du Gard de 175 m de longitud tiene una altura m-xima de 49 m, y en Segovia, en Espaa, donde el puente-acueducto de 805 m de longitud todava funciona.Los romanos excavaron tambin canales para mejorar eldrenaje de los ros en toda Europa y, menos frecuente-mente para la navegacin, como es el caso del canal Rin-Mosa de 37 km de longitud. Pero sin duda en este campola obra prima de la ingeniera del Imperio romano es eldrenaje del lago Fucino, a travs de una galera de 5,5 kmpor debajo de la montaa. Esta galera solo fue superadaen el 1870 con la galera ferroviaria del Moncenisio. ElPortus Romanus, completamente articial, se construydespus del de Ostia, en el tiempo de los primeros empe-radores romanos. Su baha interna, hexagonal, tena unaprofundidad de 4 a 5 m, un ancho de 800 m, muelle deladrillo y mortero, y un fondo de bloques de piedra parafacilitar su dragado.

3.2 La generacin de energa 3

3.2 La generacin de energa

Rueda hidrulica.

La principal fuente de energa de la antigedad fue el lla-mado molino griego, constituido por un eje de maderavertical, en cuya parte inferior haba una serie de pale-tas sumergidas en el agua. Este tipo de molino fue usa-do principalmente para moler los granos, el eje pasabaa travs de la mquina inferior y haca girar la mquinasuperior, a la cual estaba unido. Molinos de este tipo re-queran una corriente veloz, y seguramente se originaronen las regiones colinares del Medio Oriente, a pesar deque Plinio el Viejo atribuye la creacin de los molinos deagua para moler granos al norte de Italia. Estos molinosgeneralmente eran pequeos y ms bien lentos, la piedrade moler giraba a la misma velocidad que la rueda, tenanpor lo tanto una pequea capacidad de molienda, y su usoera puramente local. Sin embargo pueden ser considera-dos los precursores de la turbina hidrulica, y su uso seextendi por ms de tres mil aos.El tipo de molino hidrulico con eje horizontal y ruedavertical se comenz a construir en el siglo I a. C. por elingeniero militar Marco Vitruvio Polione. Su inspiracinpuede haber sido la rueda persa o saqya, un dispositi-vo para elevar el agua, que estaba formado por una seriede recipientes dispuestos en la circunferencia de la rue-da que se hace girar con fuerza humana o animal. Estarueda fue usada en Egipto (Siglo IV a. C.). La rueda hi-drulica vitruviana, o rueda de tazas, es bsicamente unarueda que funciona en el sentido contrario. Diseada paramoler grano, las ruedas estaban conectadas a la mquinamvil por medio de engranajes de madera que daban una

reduccin de aproximadamente 5:1. Los primeros moli-nos de este tipo eran del tipo en los que el agua pasa pordebajo.Ms tarde se observ que una rueda alimentada desdearriba era ms eciente, al aprovechar tambin la dife-rencia de peso entre las tazas llenas y las vacas. Este tipode rueda, signicativamente ms eciente requieren unainstalacin adicional considerable para asegurar el sumi-nistro de agua: generalmente se represaba un curso deagua, de manera a formar un embalse, desde el cual uncanal llevaba un ujo regularizado de agua a la rueda.

Serrera romana de Hierpolis. Del siglo III de la Era Cristiana,es la muestra ms antigua del mecanismo biela-manivela.[1][2][3]

Este tipo de molino fue una fuente de energa mayor ala que se dispona anteriormente, y no solo revolucionla molienda de granos, sino que abri el camino a la me-canizacin de muchas otras operaciones industriales. Unmolino de la poca romana del tipo alimentado por deba-jo, en Venafro, con una rueda de 2 m de dimetro podamoler aproximadamente 180 kg de granos en una hora, loque corresponde aproximadamente a 3 caballos vapor, encomparacin, un molino movido por un asno, o por doshombres poda apenas moler 4,5 kg de grano por hora.Desde el siglo IV d. C. en el Imperio romano se instala-ron molinos de notables dimensiones. En Barbegal, en lasproximidades de Arls, en el 310, se usaron para molergranos 16 ruedas alimentadas desde arriba, que tenan undimetro de hasta 2,7 m cada una. Cada una de ellas ac-cionaba, mediante engranajes de madera dos mquinas:La capacidad llegaba a 3 toneladas por hora, sucientespara abastecer la demanda de una poblacin de 80 milhabitantes, la poblacin de Arls en aquella poca no so-brepasaba las 10 mil personas, es por lo tanto claro queabasteca a una vasta zona.Es sorprendente que el molino de Vitruvio no se popu-larizara, en el Imperio romano hasta el tercero o cuartosiglo. Siendo disponible en la poca los esclavos y otramano de obra a bajo precio, no haba un gran incentivopara promover una actividad que requera la utilizacinde capital, se dice adems que el emperador Vespasiano(69 79 d. C.) se habra opuesto al uso de la energa hi-drulica porque esta habra provocado la desocupacin.Gracias ha esto nos da mucho ahorro de energa ya que

4 3 LUGARES EN DONDE SE DESARROLL

en la actualidad se est viendo alta contaminacin am-biental

3.3 La rueda hidrulica

Ruedas de agua en Hama - Siria.

Azud de La Montaa de Aranjuez, Espaa

En la Edad Media, la rueda hidrulica fue ampliamenteutilizada en Europa para una gran variedad de usos indus-triales El Domesday Book, el catastro ingls elaborado en

el 1086, por ejemplo reporta 5.624 molinos de agua, to-dos del tipo vitruviano. Estos molinos fueron usados paraaccionar aserraderos, molinos de cereales y para mine-rales, molinos con martillos para trabajar el metal o pa-ra batanes, para accionar fuelles de fundiciones y parauna variedad de otras aplicaciones. De este modo tuvie-ron tambin un papel importante en la redistribucin te-rritorial de la actividad industrial.Otra forma de energa desarrollada en la Edad Media fueel molino de viento. Desarrollado originalmente en Persiaen el siglo VII, parece que tuvo su origen en las antiguasruedas de oraciones accionadas por el viento utilizadas enAsia central. Otra hiptesis plausible pero no demostra-da, es la de que el molino de viento se derivara de lasvelas de los navos. Durante el siglo X estos molinos e-licos fueron ampliamente utilizados en Persia, para bom-bear agua. Los molinos persas estaban constituidos poredicios de dos pisos, en el piso inferior se encontrabauna rueda horizontal accionada por 10 a 12 alas adapta-das para captar el viento, conectadas a un eje vertical quetransmita el movimiento a la mquina situada en el pisosuperior, con una disposicin que recuerda los molinos deagua griegos. Los molinos de viento de ejes horizontalesse desarrollaron en Europa del norte entorno al siglo XIII.

3.4 La hidrulica en los pases rabes

En la Edad Media el islam contribuy en forma impor-tante al desarrollo de la hidrulica. En el rea geogrcadonde se ubica el primer desarrollo de la civilizacin is-lmica se realizaron importantes obras hidrulicas, comopor ejemplo canales para la distribucin de agua, con unuso frecuente de sifones, casi desconocidos anteriormen-te, pero lo que tiene ms signicado, el Islam asegur lacontinuidad del conocimiento con las civilizaciones an-tiguas, particularmente con la alejandrina. Cuando en elRenacimiento se redescubri la civilizacin clsica y suciencia, en realidad se dispona de tcnicas mucho msevolucionadas que en la antigedad y de instrumentosmatemticos mucho ms verstiles, como la numeracinrabe y el lgebra, tambin de origen rabe.Entre los numerosos arquitectos que actuaban en el Re-nacimiento, el ms signicativo fue Leonardo Da Vinci(1452 1519). A Leonardo se debe la primera versinde la conservacin de la masa en un curso de agua, en elcual el producto entre la velocidad media del agua en unaseccin y el rea de la misma seccin es constante, mien-tras que, siempre Leonardo observa, la velocidad del aguaes mxima en el centro del ro y mnima sobre los bor-des. En tiempos recientes se ha reconducido el estudiode la turbulencia al de los sistemas dinmicos que con-ducen al caos. Actualmente la verdadera naturaleza delmovimiento turbulento no est del todo clara, y el enfo-que probabilstico parecera no ser el simple reejo denuestra ignorancia, sino que reejara la esencia mismadel fenmeno, como en otras ramas de la fsica.

5.2 Inconvenientes 5

Se puede concluir que es ms fcil estudiar el movimien-to de cuerpos celestes innitamente lejanos que el de unarroyito que corre a nuestros pies (Galileo Galilei): Dis-curso sobre dos ciencias nuevas

4 Ciencias de la tierra relacionadascon la hidrulica

Se relacionan ntimamente con la hidrulica las siguientesramas de la ciencias de la tierra:

Mecnica de uidos.mecnica de medios conti-nuos que describe el movimiento de uidos (gasesy lquidos), sin tener en cuenta las causas quelo provocan (cinemtica) o tenindolas en cuenta(dinmica);

Hidrologa, que analiza el comportamiento del aguaen la naturaleza, en las diversas fases del ciclo hidro-lgico;

Hidrogeologa, que se ocupa de las aguas subterr-neas;

Hidrografa, que se ocupa de la descripcin y es-tudio sistemtico de los diferentes cuerpos de aguaplanetarios;

Oceanografa, que estudia todos los procesos fsicos,qumicos y biolgicos que se dan en el mar y en losocanos.

5 Produccin de energaEl funcionamiento bsico consiste en aprovechar la ener-ga cintica del agua almacenada, de modo que accionelas turbinas hidrulicas.Para aprovechar mejor el agua llevada por los ros, seconstruyen presas para regular el caudal en funcin dela poca del ao. La presa sirve tambin para aumentar elsalto y as mejorar su aprovechamiento.

5.1 Ventajas sobre otras fuentes de energa

Disponibilidad: El ciclo del agua lo convierte en unrecurso inagotable.

Energa limpia: No emite gases invernadero, niprovoca lluvia cida, ni produce emisiones txicas.

Energa barata: Sus costes de explotacin son ba-jos, y su mejora tecnolgica hace que se aprovechede manera eciente los recursos hidrulicos dispo-nibles.

Trabaja a temperatura ambiente: No son necesariossistemas de refrigeracin o calderas, que consumenenerga y, en muchos casos, contaminan.

El almacenamiento de agua permite el suministropara regados o la realizacin de actividades de re-creo.

La regulacin del caudal controla el riesgo de inun-daciones y desates de agua.

5.2 Inconvenientes Su construccin y puesta en marcha requiere inver-siones importantes. y los emplazamientos en dondese pueden construir centrales hidroelctricas en bue-nas condiciones econmicas son limitados.

Las presas se convierten en obstculos insalvablespara especies como los salmones, que tienen que re-montar los ros para desovar. Por su parte, los embal-ses afectan a los cauces, provocan erosin, e incidenen general sobre el ecosistema del lugar.

Empobrecimiento del agua: El agua embalsada notiene las condiciones de salinidad, gases disueltos,temperatura, nutrientes, y dems propiedades delagua que uye por el ro. Los sedimentos se acu-mulan en el embalse, por lo que el resto del ro has-ta la desembocadura acaba empobrecindose de nu-trientes. Asimismo, puede dejar sin caudal mnimoel tramo nal de los ros, especialmente en pocasde sequa.

Los emplazamientos hidrulicos suelen estar lejosde las grandes poblaciones, por lo que es necesariotransportar la energa elctrica producida a travs decostosas redes.

6 Notas y referencias[1] Grewe, Klaus (2010), La mquina romana de serrar pie-

dras. La representacin en bajorrelieve de una sierra depiedras de la antigedad, en Hierpolis de Frigia y surelevancia para la historia tcnica (traduccin al caste-llano: Miguel Ordez), Las tcnicas y las construccionesde la Ingeniera Romana, V Congreso de las Obras, pp.381401, http://www.traianvs.net/pdfs/2010_15_grewe.pdf (para descargar el artculo se necesita registrarse enel sitio web por gratuito)

[2] Grewe, Klaus (2009), Die Reliefdarstellung einer anti-ken Steinsgemaschine aus Hierapolis in Phrygien undihre Bedeutung fr die Technikgeschichte. InternationaleKonferenz 13.16. Juni 2007 in Istanbul, en Bachmann,Martn (en alemn), Bautechnik im antiken und voran-tiken Kleinasien, Byzas, 9, Istanbul: Ege Yaynlar/ZeroProd. Ltd., pp. 429454 (429), ISBN 978-975-807-223-1, http://www.freundeskreis-roemerkanal.de/Text/BAUTECHNIK%20IM%20ANTIKEN%20UND.pdf

6 9 ENLACES EXTERNOS

[3] Ritti, Tullia; Grewe, Klaus; Kessener, Paul (2007), ARe-lief of a Water-powered Stone SawMill on a Sarcophagusat Hierapolis and its Implications (en ingls), Journal ofRoman Archaeology 20: 138163 (161)

7 Vase tambin Deniciones usuales en hidrulica Hidrodinmica Hidrosttica Neumtica Obras hidrulicas Oleohidrulica

8 Bibliografa Open Channel Hydraulics (1959); (traducido al es-paol como: Hidrulica de los Canales Abiertos.Ven Te Chow. Editorial Diana, Mxico, 1983. ISBN968-13-1327-5)

9 Enlaces externos Rueda hidrulica

710 Texto e imgenes de origen, colaboradores y licencias10.1 Texto

Hidrulica Fuente: http://es.wikipedia.org/wiki/Hidr%C3%A1ulica?oldid=82982642 Colaboradores: Lourdes Cardenal, Bermiego, Big-sus, Dodo, Triku, Tano4595, Digigalos, Soulreaper, Airunp, Natrix, Magister Mathematicae, Yrbot, Mortadelo2005, Lin linao, The Photo-grapher, Baneld, Jukumari, Alfredobi, Aleator, BOTpolicia, CEM-bot, Laura Fiorucci, Andreoliva, Dorieo, Montgomery, Fsd141, ngelLuis Alfaro, LMLM, Rodrigo G, Isha, Bernard, Mpeinadopa, JAnDbot, Zufs, Gsrdzl, CommonsDelinker, TXiKiBoT, Humberto, Fixertool,Pedro Nonualco, Plux, Biasoli, Technopat, Galandil, Matdrodes, BlackBeast, Muro Bot, Lsg, Txungo, Racso, Drinibot, Bigsus-bot, BO-Tarate, Fronate, Correogsk, Tirithel, HUB, Sebakorn, Eduardosalg, Leonpolanco, Poco a poco, Rge, Aipni-Lovrij, UA31, Abajo estabael pez, AVBOT, Ellinik, A ver, Hemingway10, NicolasAlejandro, Diegusjaimes, MelancholieBot, Arjuno3, Andreasmperu, Luckas-bot,Xqt, Sessho-akat, Antrax00, Batn Azul, ArthurBot, SuperBraulio13, Ortisa, Xqbot, Jkbw, Gogui2000, Edgard72, Ricardogpn, Emopg,Isracd, Gustrefox, Botarel, Timpo, BOTirithel, TiriBOT, Halfdrag, Lungo, Tbhotch, Nachosan, Foundling, EmausBot, AVIADOR, Zro-Bot, ChuispastonBot, Angelgabrielcollado, Waka Waka, Abin, MerlIwBot, KLBot2, TeleMania, Thehelpfulbot, AleMaster23, Gins90,MetroBot, Acratta, Harpagornis, Helmy oved, MarioCGR, Cyrax, Syum90, MaKiNeoH, DB, Mettallzoar, Balles2601, Luciano (oe thii),Osornio lopez, Eduardo gamez, Cristian.jatomeay, Valentina-force, David19064 y Annimos: 259

10.2 Imgenes Archivo:Diagram_of_waterwheel_or_azud_function.jpg Fuente: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/ac/Diagram_

of_waterwheel_or_azud_function.jpg Licencia: CC BY-SA 3.0 Colaboradores: Trabajo propio Artista original: Timpo Archivo:Hama-3_norias.jpg Fuente: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/a0/Hama-3_norias.jpg Licencia: CC-BY-SA-

3.0 Colaboradores: ? Artista original: ? Archivo:Pont_du_gard_v1_082005.JPG Fuente: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/8/8a/Pont_du_gard_v1_082005.

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