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No confundir con ingeniería hidrológica .
Cuenca de retención de inundaciones hidráulicas (HFRB)
Vista desde el puente Church Span, Berna , Suiza
Riprap bordeando la orilla del lago

La ingeniería hidráulica como subdisciplina de la ingeniería civil se ocupa del flujo y transporte de fluidos , principalmente agua y alcantarillado. 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 , canales , 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, uno debe averiguar cuánta agua está involucrada. El ingeniero hidráulico se ocupa del transporte de sedimentos por el río, la interacción del agua con su límite aluvial y la aparición 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 desagües para presas, alcantarillas para carreteras, canales y estructuras relacionadas para proyectos de riego e instalaciones de agua de enfriamiento para centrales térmicas.. " [2]

Principios fundamentales [ editar ]

Algunos ejemplos de los principios fundamentales de la ingeniería hidráulica incluyen mecánica de fluidos , flujo de fluidos , comportamiento de fluidos reales, hidrología , tuberías, hidráulica de canal abierto, mecánica de transporte de sedimentos , modelado físico, máquinas hidráulicas e hidráulica de drenaje.

Mecánica de fluidos [ editar ]

Fundamentos de la Ingeniería Hidráulica define la hidrostática como el estudio de 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 todo el cuerpo de fluido. La presión, p, en un cuerpo de fluido dado, 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,

ρ = densidad del agua
g = gravedad específica
y = profundidad del cuerpo de líquido

Reorganizar esta ecuación le da la altura de presión p / ρg = y . 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 dice Prasuhn:

En cuerpos sumergidos no perturbados, la presión actúa a lo largo de todas las superficies de un cuerpo en un líquido, provocando que fuerzas perpendiculares iguales en el cuerpo actúen contra la presión del líquido. Esta reacción se conoce como equilibrio. Las aplicaciones más avanzadas de presión son las de superficies planas, superficies curvas, presas y compuertas cuadrantes, solo por nombrar algunas. [1]

Comportamiento de fluidos reales [ editar ]

Fluidos reales e ideales [ editar ]

La principal diferencia entre un fluido ideal y un fluido real es que para un flujo ideal p 1 = p 2 y para un flujo real p 1 > p 2 . El fluido ideal es incompresible y no tiene viscosidad. El fluido real tiene viscosidad. El fluido ideal es solo un fluido imaginario ya que todos los fluidos que existen tienen cierta viscosidad.

Flujo viscoso [ editar ]

Un fluido viscoso se deformará continuamente bajo una fuerza de corte por la ley de pascles, mientras que un fluido ideal no se deforma.

Flujo laminar y turbulencia [ editar ]

Los diversos efectos de la perturbación en un flujo viscoso son estable, de transición e inestable.

Ecuación de Bernoulli [ editar ]

Para un fluido ideal, la ecuación de Bernoulli se mantiene a lo largo de las líneas de corriente.

p / ρg + u ² / 2 g = p 1 / ρg + u 1 ² / 2 g = p 2 / ρ g + u 2 ² / 2 g

Capa límite [ editar ]

Suponiendo que un flujo está limitado en un solo lado, y que un flujo rectilíneo que pasa sobre una placa plana fija que se encuentra paralela al flujo, el flujo justo aguas arriba de la placa tiene una velocidad uniforme. A medida que el flujo entra en contacto con la placa, la capa de fluido en realidad se 'adhiere' a una superficie sólida. Entonces hay una acción de cizallamiento considerable entre la capa de fluido en 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 cizallamiento con la tercera capa de fluido, y así sucesivamente. A medida que el fluido pasa más junto con la placa, la zona en la que se produce la acción de cizallamiento tiende a extenderse más hacia el exterior. Esta zona se conoce como la "capa límite".El flujo fuera de la capa límite está libre de fuerzas de corte y viscosas, por lo que se supone que actúa como un fluido ideal. Las fuerzas cohesivas intermoleculares en un fluido no son lo suficientemente grandes para mantener el fluido unido. Por lo tanto, un fluido fluirá bajo la acción de la menor tensión y el flujo continuará mientras la tensión esté presente.[3] El flujo dentro de la capa puede ser violento o turbulento, dependiendo del número de Reynolds. [1]

Aplicaciones [ editar ]

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 la mecánica, la aeronáutica e incluso los ingenieros de tráfico.

Las ramas relacionadas incluyen hidrología y reología, mientras que las aplicaciones relacionadas incluyen modelado hidráulico, mapeo de inundaciones, planes de manejo de inundaciones de cuencas, planes de manejo de costas, estrategias de estuarios, protección costera y alivio de inundaciones.

Historia [ editar ]

Antigüedad [ editar ]

Ver también: Saneamiento de la civilización del valle del Indo
Ver también: Arquitectura de Filipinas y logros culturales de las Filipinas precoloniales

Los primeros usos de la ingeniería hidráulica fueron el riego de cultivos y se remontan al Medio Oriente y África . El control del movimiento y el suministro de agua para el cultivo de alimentos se ha utilizado durante muchos 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 agua incluyen el sistema Qanat en la antigua Persia y el muy similar sistema de agua Turpan en la antigua China, así como canales de riego 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 el riego, así como esclusas para permitir el paso de los barcos. Sunshu Ao es considerado el primer ingeniero hidráulico chino. Otro ingeniero hidráulico importante en China, Ximen Bao recibió el crédito de haber comenzado la práctica del riego de canales a gran escala durante el período de los Reinos Combatientes (481 a. Antes de convertirse en Secretario General del Partido Comunista de China en 2002, Hu Jintao era ingeniero hidráulico y tiene un título en ingeniería deUniversidad de Tsinghua

Las terrazas de arroz de Banaue son parte de las terrazas de arroz de las cordilleras filipinas , antiguas y extensas estructuras hechas por el hombre que son Patrimonio de la Humanidad por la UNESCO .

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 riegos, presas y obras hidráulicas y las famosas Terrazas de Arroz de Banaue como una forma de ayudar en el cultivo de cultivos alrededor 1000 AC. [6] Estas son terrazas de arroz de 2.000 años de antigüedad terrazas que fueron talladas en las montañas de Ifugao en la Filipinas por los antepasados de los indígenas . Las terrazas de arroz se conocen comúnmente como la " octava maravilla del mundo ". [7][8] [9] Se piensa comúnmente que las terrazas se construyeron con un equipo mínimo, en gran parte a mano. Las terrazas están ubicadas aproximadamente a 1500 metros (5000 pies) sobre el nivel del mar. Son alimentados por un antiguosistema de riego de las selvas tropicales sobre las terrazas. Se dice que si los pasos se pusieran de punta a punta, rodearían la mitad del globo. [10]

Eupalinos de Megara , fue un antiguo ingeniero griego que construyó el Túnel de Eupalinos en Samos en el siglo VI a.C., una importante hazaña tanto de la ingeniería civil como de la hidráulica. El aspecto de ingeniería civil de este túnel fue el hecho de que fue excavado en 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 fue muy desarrollada en Europa bajo la égida del Imperio Romano, donde se aplicó especialmente a la construcción y mantenimiento de acueductos para suministrar agua y eliminar las 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 aluviales en una técnica conocida como silenciamiento , y aplicaron los métodos a otros minerales como los de estaño y plomo .

En el siglo XV, el Imperio Ajuran somalí era el único imperio hidráulico en 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 ocurrieron 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 y, [12] por extensión, una condición previa para el surgimiento de la tecnología moderna. [13] Los diversos componentes de este "conjunto de herramientas" se desarrollaron en diferentes partes de la región afroeurasiáticamasa continental, tanto dentro como fuera del mundo islámico. Sin embargo, fue en las tierras islámicas medievales donde se ensambló y estandarizó el complejo tecnológico, y posteriormente se difundió al resto del Viejo Mundo. [14] Bajo el gobierno de un solo 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 el noria , el shaduf y la bomba de tornillo de Egipto.y el molino de viento del Afganistán islámico . [14] Otros desarrollos islámicos originales incluyeron el saqiya con un efecto de volante de la España islámica, [15] la bomba de succión recíproca [16] [17] [18] y el cigüeñal - mecanismo de biela de Irak , [19] [20] el sistema de suministro de agua con engranajes y energía hidroeléctrica de Siria , [21] y la depuración de agua métodos de los químicos islámicos . [22]

Tiempos modernos [ editar ]

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 con 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 Mulhollandel área de Los Ángeles no habría podido crecer como lo ha hecho porque simplemente no tiene suficiente agua local para mantener 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 el riego. De manera algo paralela a lo que sucedió en California, la creación de la Autoridad del Valle de Tennessee (TVA) trajo trabajo y prosperidad al Sur mediante la construcción de presas para generar electricidad barata y controlar las inundaciones en la región, haciendo navegables los ríos y modernizando en general la vida en la región. la región.

Leonardo da Vinci (1452-1519) realizó experimentos, investigó y especuló sobre olas y chorros, remolinos y aerodinámica. Isaac Newton (1642-1727) al formular las leyes del movimiento y su ley de la viscosidad, además de desarrollar el cálculo, allanó el camino para muchos grandes desarrollos en la mecánica de fluidos. Usando 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 encontraron inadecuadas las soluciones de flujo no viscoso y, mediante la experimentación, desarrollaron ecuaciones empíricas, estableciendo así la ciencia de la hidráulica. [3]

A fines 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 en el que proponía que los campos de flujo de los fluidos de baja viscosidad se dividieran en dos zonas, a saber, una capa límite delgada, dominada por la viscosidad, cerca de 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 resultados experimentales y teoría. [23]

El ingeniero hidráulico moderno utiliza los mismos tipos de herramientas de diseño asistido por computadora (CAD) que muchas de las otras disciplinas de ingeniería, al mismo tiempo que hace uso de tecnologías como la dinámica de fluidos computacional para realizar los cálculos para predecir con precisión las características del flujo, mapeo GPS para ayudar en la localización. los mejores caminos para instalar un sistema y herramientas topográficas basadas en láser para ayudar en la construcción real de un sistema.

3M Novec 73DE está diseñado para desengrasado con humo intenso, limpieza por inundación o testimonio de aceite; incluyendo alta disolubilidad, baja deformación superficial, incombustibilidad y solidez del líquido.

Ver también [ editar ]

  • Ingeniería civil  : disciplina de la ingeniería centrada en la infraestructura física
  • Software de ingeniería civil  : software utilizado en ingeniería civil
  • Eupalinos
  • HEC-RAS
  • Henri Pitot  - ingeniero hidráulico francés del siglo XVIII
  • Hidrología  : la ciencia del movimiento, distribución y calidad del agua en la Tierra y otros planetas.
  • Hidrología (agricultura)
  • Gato hidraulico
  • Minería hidráulica  : técnica de minería que utiliza chorros de agua a alta presión para extraer minerales.
  • Estructura hidraulica
  • Asociación Internacional de Ingeniería e Investigación Hidroambiental
  • Riego  : aplicación artificial de agua a la tierra
  • Inundaciones modernas significativas
  • Ingeniería naval  : disciplina de la ingeniería que se ocupa del diseño y la construcción de embarcaciones marinas.
  • Sunshu Ao
  • Ximen Bao

Referencias [ editar ]

  1. ^ a b c d e f Prasuhn, Alan L. Fundamentos de la ingeniería hidráulica . Holt, Rinehart y Winston: Nueva York, 1987.
  2. ^ Cassidy, John J., Chaudhry, M. Hanif y Roberson, John A. "Ingeniería hidráulica", John Wiley & Sons, 1998
  3. ^ a b c E. John Finnemore, Joseph Franzini "Mecánica de fluidos con aplicaciones de ingeniería", McGraw-Hill, 2002
  4. ^ Gascoigne, Bamber. “Historia de los relojes”. Historia del mundo. Desde 2001, en curso. http://www.historyworld.net/wrldhis/PlainTextHistories.asp?groupid=2322&HistoryID=ac08>rack=pthc
  5. ^ Historia del agua "Qanats". Desde 2001, en curso. http://www.waterhistory.org/histories/qanats/
  6. ^ https://web.archive.org/web/20071201054321/http://www.geocities.com/Tokyo/Temple/9845/tech.htm
  7. ^ Filipinasoul.com. 'Lo mejor' de Filipinas: sus maravillas naturales Archivado el 5 de noviembre de 2014 en la Wayback Machine.
  8. ^ Organismo nacional de coordinación de estadísticas de Filipinas. HECHOS Y CIFRAS: provincia de Ifugao Archivado el 13 de noviembre de 2012 en la Wayback Machine.
  9. ^ Acerca de Banaue> Atracciones turísticas Archivado el 14 de diciembre de 2008 en la Wayback Machine.
  10. ^ Departamento de turismo: provincia de Ifugao Archivado el 2 de marzo de 2009 en la Wayback Machine . Consultado el 4 de septiembre de 2008.
  11. ^ Njoku, Raphael Chijioke (2013). La historia de Somalia . pag. 26. ISBN 9780313378577. Consultado el 14 de febrero de 2014 .
  12. ^ Edmund Burke (junio de 2009), "Islam en el centro: complejos tecnológicos y las raíces de la modernidad", Journal of World History , University of Hawaii Press , 20 (2): 165-186 [174], doi : 10.1353 / jwh .0.0045 , S2CID 143484233 
  13. ^ Edmund Burke (junio de 2009), "Islam en el centro: complejos tecnológicos y las raíces de la modernidad", Journal of World History , University of Hawaii Press , 20 (2): 165-186 [168], doi : 10.1353 / jwh .0.0045 , S2CID 143484233 
  14. ^ a b Edmund Burke (junio de 2009), "Islam en el centro: complejos tecnológicos y las raíces de la modernidad", Revista de historia mundial , University of Hawaii Press , 20 (2): 165-186 [168 y 173], doi : 10.1353 / jwh.0.0045 , S2CID 143484233 
  15. ^ Ahmad Y Hassan, Efecto volante para una Saqiya Archivado el 7 de octubre de 2010 en la Wayback Machine .
  16. ^ Donald Routledge Hill, "Ingeniería mecánica en el Cercano Oriente medieval", Scientific American , mayo de 1991, págs. 64-9. (cf. Donald Routledge Hill, Mechanical Engineering Archivado 2007-12-25 en Wayback Machine )
  17. ^ Ahmad Y Hassan . "El origen de la bomba de succión: Al-Jazari 1206 AD" Archivado desde el original el 26 de febrero de 2008 . Consultado el 16 de julio de 2008 .
  18. ^ Donald Routledge Hill (1996), Una historia de la ingeniería en la época clásica y medieval , Routledge , págs. 143 y 150-2
  19. ^ Sally Ganchy, Sarah Gancher (2009), Islam y ciencia, medicina y tecnología , The Rosen Publishing Group, p. 41 , ISBN 978-1-4358-5066-8
  20. ^ Ahmad Y Hassan , El sistema de biela y manivela en una máquina de rotación continua Archivado el 12 de marzo de 2013 en la Wayback Machine.
  21. ^ Howard R. Turner (1997), Ciencia en el Islam medieval: una introducción ilustrada , p. 181, University of Texas Press , ISBN 0-292-78149-0 
  22. ^ Levey, M. (1973), "Farmacología árabe temprana", EJ Brill; Leiden
  23. ^ Mecánica de fluidos

Lectura adicional [ editar ]

  • Vincent J. Zipparro, Hans Hasen (Eds), Davis 'Handbook of Applied Hydraulics , Mcgraw-Hill , 4th Edition (1992), ISBN 0070730024 , en Amazon.com 
  • Clasificación de orgánicos en efluentes secundarios. M. Rebhun, J. Manka. Environmental Science and Technology, 5, págs. 606–610, (1971). 25.

Enlaces externos [ editar ]

  • Asociación Internacional de Investigación e Ingeniería Hidráulica
  • Ingeniería Hidráulica en el México Prehistórico
  • Centro de Ingeniería Hidrológica
  • Chanson, H. (2007). Ingeniería hidráulica en el siglo XXI: ¿hacia dónde? , Revista de Investigación Hidráulica, IAHR, vol. 45, núm. 3, págs. 291-301 (ISSN 0022-1686).