La hidráulica (del griego : Υδραυλική) es una tecnología y ciencia aplicada que utiliza la ingeniería , la química y otras ciencias que involucran las propiedades mecánicas y el uso de líquidos . En un nivel muy básico, la hidráulica es la contraparte líquida de la neumática , que se refiere a los gases . La mecánica de fluidos proporciona la base teórica para la hidráulica, que se centra en la ingeniería aplicada utilizando las propiedades de los fluidos. En sus aplicaciones de potencia fluida , la hidráulica se utiliza para la generación, control y transmisión de potencia mediante el uso de presurizados.líquidos. Los temas hidráulicos abarcan algunas partes de la ciencia y la mayoría de los módulos de ingeniería, y cubren conceptos como flujo de tuberías , diseño de presas , fluídica y circuitos de control de fluidos. Los principios de la hidráulica se utilizan de forma natural en el cuerpo humano dentro del sistema vascular y el tejido eréctil. [2] [3] La hidráulica de superficie libre es la rama de la hidráulica que se ocupa del flujo superficial libre , como ocurre en ríos , canales , lagos , estuarios y mares . Su flujo de canal abierto de subcampo estudia el flujo en canales abiertos .
La palabra "hidráulica" se origina en la palabra griega ὑδραυλικός ( hydraulikos ) que a su vez se origina en ὕδωρ ( hydor , griego para agua ) y αὐλός ( aulos , que significa tubería ). [4]
Historia
Épocas antiguas y medievales
Los primeros usos de la energía hidráulica se remontan a Mesopotamia y el antiguo Egipto , donde el riego se ha utilizado desde el sexto milenio antes de Cristo y los relojes de agua se habían utilizado desde principios del segundo milenio antes de Cristo. Otros ejemplos tempranos de energía hidráulica incluyen el sistema Qanat en la antigua Persia y el sistema de agua Turpan en la antigua Asia Central.
imperio Persa
En el Imperio Persa , los persas construyeron un intrincado sistema de molinos de agua, canales y presas conocido como el Sistema Hidráulico Histórico de Shushtar . El proyecto, iniciado por el rey aqueménida Darío el Grande y terminado por un grupo de ingenieros romanos capturados por el rey sasánida Sapor I , [5] ha sido calificado por la UNESCO como "una obra maestra del genio creativo". [5] También fueron los inventores [6] del Qanat, un acueducto subterráneo. Varios de los grandes y antiguos jardines de Irán fueron irrigados gracias a Qanats [7]
La evidencia más temprana de ruedas hidráulicas y molinos de agua se remonta al antiguo Cercano Oriente en el siglo IV aC, [8] específicamente en el Imperio Persa antes del 350 aC, en las regiones de Irak , Irán , [9] y Egipto . [10]
porcelana
En la antigua China hubo Sunshu Ao (siglo VI a.C.), Ximen Bao (siglo V a.C.), Du Shi (circa 31 d.C.), Zhang Heng (78-139 d.C.) y Ma Jun (200-265 d.C.), mientras que China tenía Su Song (1020 - 1101 d. C.) y Shen Kuo (1031-1095). Du Shi empleó una rueda hidráulica para accionar los fuelles de un alto horno que producía hierro fundido . Zhang Heng fue el primero en emplear sistemas hidráulicos para proporcionar fuerza motriz al girar una esfera armilar para la observación astronómica . [11] [ cita requerida ]
Sri Lanka
En la antigua Sri Lanka, la hidráulica se usaba ampliamente en los antiguos reinos de Anuradhapura y Polonnaruwa . [12] El descubrimiento del principio de la torre de válvulas, o pozo de válvulas, (Bisokotuwa en cingalés) para regular el escape de agua se atribuye al ingenio hace más de 2.000 años. [13] En el siglo I d. C., se habían completado varias obras de riego a gran escala. [14] En Sigiriya , Sri Lanka, se instalaron sistemas macro y microhidráulicos para satisfacer las necesidades agrícolas y hortícolas domésticas, el drenaje superficial y el control de la erosión, cursos de agua ornamentales y recreativos y estructuras de retención, así como sistemas de refrigeración . El coral en la roca masiva en el sitio incluye cisternas para recolectar agua. Los grandes reservorios antiguos de Sri Lanka son Kalawewa (Rey Dhatusena), Parakrama Samudra (Rey Parakrama Bahu), Tisa Wewa (Rey Dutugamunu), Minneriya (Rey Mahasen)
Mundo grecorromano
En la Antigua Grecia , los griegos construyeron sofisticados sistemas de energía hidráulica y de agua. Un ejemplo es la construcción por Eupalinos , bajo contrato público, de un canal de riego para Samos , el Túnel de Eupalinos . Un ejemplo temprano del uso de rueda hidráulica, probablemente la más antigua de Europa, es la rueda Perachora (siglo III a. C.). [15]
En el Egipto grecorromano , es notable la construcción de las primeras máquinas autómatas hidráulicas por Ctesibius (floreció c. 270 a. C.) y Héroe de Alejandría (c. 10 - 80 d. C.). Hero describe varias máquinas en funcionamiento que utilizan energía hidráulica, como la bomba de fuerza , que se sabe en muchos yacimientos romanos por haber sido utilizada para levantar agua y en camiones de bomberos. [dieciséis]
En el Imperio Romano se desarrollaron diferentes aplicaciones hidráulicas, entre las que se encuentran los suministros públicos de agua, innumerables acueductos , energía mediante molinos de agua y minería hidráulica . Fueron de los primeros en utilizar el sifón para transportar agua a través de los valles, y utilizaron el silenciamiento a gran escala para buscar y luego extraer minerales metálicos . Utilizaron plomo ampliamente en sistemas de plomería para suministro doméstico y público, como termas de alimentación . [ cita requerida ]
La minería hidráulica se utilizó en los yacimientos de oro del norte de España, que fue conquistada por Augusto en el 25 a. C. La mina de oro aluvial de Las Médulas fue una de las más grandes de sus minas. Al menos siete largos acueductos lo trabajaron, y las corrientes de agua se utilizaron para erosionar los depósitos blandos y luego lavar los relaves en busca del valioso contenido de oro. [17] [18]
Mundo árabe-islámico
En el mundo musulmán durante la Edad de Oro Islámica y la Revolución Agrícola Árabe (siglos VIII-XIII), los ingenieros hicieron un amplio uso de la energía hidroeléctrica, así como de los primeros usos de la energía mareomotriz , [19] y grandes complejos industriales hidráulicos . [20] Una variedad de molinos industriales-accionado de agua se utilizaron en el mundo islámico, incluyendo batanes molinos, gristmills , fábricas de papel , hullers , aserraderos , fábricas de buques , molinos de mazos , fábricas de acero , fábricas de azúcar , y molinos de marea . En el siglo XI, todas las provincias del mundo islámico tenían estos molinos industriales en funcionamiento, desde Al-Andalus y el norte de África hasta Oriente Medio y Asia Central . [21] Los ingenieros musulmanes también utilizaron turbinas de agua , emplearon engranajes en molinos de agua y máquinas de levantamiento de agua, y fueron pioneros en el uso de presas como fuente de energía hidráulica, utilizada para proporcionar energía adicional a los molinos de agua y las máquinas de levantamiento de agua. [22]
Al-Jazari (1136–1206) describió diseños para 50 dispositivos, muchos de ellos accionados por agua, en su libro, El libro del conocimiento sobre ingeniosos dispositivos mecánicos , incluidos relojes de agua, un dispositivo para servir vino y cinco dispositivos para levantar agua. de ríos o estanques. Estos incluyen un cinturón sin fin con jarras adjuntas y un dispositivo alternativo con válvulas con bisagras. [23]
Las primeras máquinas programables fueron dispositivos accionados por agua desarrollados en el mundo musulmán. Un secuenciador de música , un instrumento musical programable , fue el primer tipo de máquina programable. El primer secuenciador de música fue un flautista automático de agua inventado por los hermanos Banu Musa , descrito en su Libro de dispositivos ingeniosos , en el siglo IX. [24] [25] En 1206, Al-Jazari inventó autómatas / robots programables accionados por agua . Describió a cuatro músicos autómatas , incluidos bateristas operados por una caja de ritmos programable , donde se les podía hacer tocar diferentes ritmos y diferentes patrones de batería. [26] El reloj del castillo , un reloj astronómico mecánico de propulsión hidráulica inventado por Al-Jazari, fue la primera computadora analógica programable . [27] [28] [29]
Era moderna (c. 1600 - 1870)
Benedetto Castelli
En 1619 Benedetto Castelli , alumno de Galileo Galilei , publicó el libro Della Misura dell'Acque Correnti o "Sobre la medición de las aguas corrientes", uno de los fundamentos de la hidrodinámica moderna. Se desempeñó como consultor principal del Papa en proyectos hidráulicos, es decir, gestión de ríos en los Estados Pontificios, a partir de 1626. [30]
Blaise Pascal
Blaise Pascal (1623-1662) estudió hidrodinámica e hidrostática de fluidos, centrada en los principios de los fluidos hidráulicos. Su descubrimiento de la teoría detrás de la hidráulica lo llevó a inventar la prensa hidráulica , que multiplicó una fuerza más pequeña que actuaba en un área más pequeña en la aplicación de una fuerza mayor totalizada en un área más grande, transmitida a través de la misma presión (o cambio exacto de presión). ) en ambas ubicaciones. La ley o principio de Pascal establece que para un fluido incompresible en reposo, la diferencia de presión es proporcional a la diferencia de altura, y esta diferencia permanece igual independientemente de que la presión total del fluido se cambie aplicando una fuerza externa. Esto implica que al aumentar la presión en cualquier punto de un fluido confinado, hay un aumento igual en cada otro extremo del recipiente, es decir, cualquier cambio en la presión aplicada en cualquier punto del líquido se transmite sin disminuir a través de los fluidos.
Jean Léonard Marie Poiseuille
Un médico francés, Poiseuille (1797-1869) investigó el flujo de sangre a través del cuerpo y descubrió una ley importante que rige la tasa de flujo con el diámetro del tubo en el que se produce el flujo. [31] [ cita requerida ]
En el Reino Unido
Varias ciudades desarrollaron redes de energía hidráulica en toda la ciudad en el siglo XIX, para operar maquinaria como elevadores, grúas, cabrestantes y similares. Joseph Bramah [32] (1748-1814) fue uno de los primeros innovadores y William Armstrong [33] (1810-1900) perfeccionó el aparato para el suministro de energía a escala industrial. En Londres, la London Hydraulic Power Company [34] era un importante proveedor de sus tuberías que abastecían grandes partes del West End de Londres , City y los muelles , pero había planes restringidos a empresas individuales como muelles y depósitos de mercancías por ferrocarril .
Modelos hidraulicos
Una vez que los estudiantes comprenden los principios básicos de la hidráulica, algunos maestros usan una analogía hidráulica para ayudar a los estudiantes a aprender otras cosas. Por ejemplo:
- La computadora MONIAC usa agua que fluye a través de componentes hidráulicos para ayudar a los estudiantes a aprender sobre economía.
- La analogía termohidráulica utiliza principios hidráulicos para ayudar a los estudiantes a aprender sobre circuitos térmicos.
- La analogía electrónica- hidráulica utiliza principios hidráulicos para ayudar a los estudiantes a aprender acerca de la electrónica.
La conservación del requisito de masa combinada con la compresibilidad del fluido produce una relación fundamental entre la presión, el flujo de fluido y la expansión volumétrica, como se muestra a continuación: [35]
Suponiendo un fluido incompresible o una relación "muy grande" de compresibilidad al volumen de fluido contenido, una tasa finita de aumento de presión requiere que cualquier flujo neto en el volumen de fluido recolectado cree un cambio volumétrico.
Ver también
- Leyes de afinidad
- El principio de Bernoulli
- Ingeniería hidráulica
- Minería hidráulica
- Transmisión hidraulica
- Asociación Internacional de Ingeniería e Investigación Hidroambiental
- Flujo de canal abierto
- Neumática
- Poder fluido
- Freno hidráulico
- Cilindro hidráulico
Notas
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Referencias
- Rāshid, Rushdī; Morelon, Régis (1996), Enciclopedia de la historia de la ciencia árabe , Londres: Routledge, ISBN 978-0-415-12410-2.
enlaces externos
- Principio e hidráulica de Pascal
- El principio de la hidráulica
- Biblioteca de medios IAHR Recurso web de fotos, animación y video
- Ecuaciones hidráulicas básicas
- Notas del curso de hidráulica del MIT