INGENIERIA HIDRAULICA

INGENIERIA HIDRAULICA
L os sistemas hidráulicos dependen de las condiciones favorables del medio ambiente, de la disponibilidad de recursos económicos y del esfuerzo colectivo de una comunidad; sin embargo, la construcción exitosa, la operación y mantenimiento de estos sistemas hidráulicos descansan en la habilidad de un grupo de personas: los ingenieros. Ejemplos de esta pericia y experiencia lo demuestran los grandes sistemas de irrigación para la agricultura, suministro de agua, sistemas de alcantarillado de las ciudades, producción de energía, navegación y protección costera. La ingeniería hidráulica y la investigación hidráulica son dos de los pilares sobre los cuales se sustenta nuestra esperanza para encarar los problemas hídricos del futuro.

La ingeniería hidráulica incluye el planeamiento y el diseño de soluciones ingenieriles a problemas relacionados al recurso agua, los cuales se pueden originar en la naturaleza o en el ambiente social. El planeamiento y el diseño frecuentemente derivan en la construcción de estructuras hidráulicas o el mejoramiento de la operación de algún sistema. Todos estos esfuerzos están basados en métodos, teorías y resultados desarrollados por la investigación hidráulica.
La investigación hidráulica es el desarrollo de conocimientos básicos y su transferencia a los métodos de la ingeniería dos de la ingeniería, con el propósito de diseñar soluciones socialmente aceptables a los problemas relativos al agua. Ello incluye el ambiente humano y la protección de la naturaleza. Cuadro 1

Los ingenieros hidráulicos tienen que planificar y diseñar sus estructuras e intervenciones en un ambiente complejo. Los datos hidrológicos son frecuentemente escasos y deficientes. Los flujos son tridimensionales y dependientes del tiempo. Las reacciones químicas y biológicas son incontrolables. Las condiciones de borde son mal definidas y están fuertemente influenciadas o determinadas por las condiciones geológicas y el comportamiento humano.

Las simplificaciones son necesarias, pero necesitan el buen juicio del ingeniero para incluir los parámetros relevantes y no pasar por alto los factores importantes.

Los métodos proporcionados por las investigaciones hidráulicas tienen sus limitaciones inherentes. Los sistemas con flujo y condiciones de borde complejas no pueden ser solucionados utilizando modelos de flujo complejos, para obtener una solución se deben utilizar modelos de flujo simplificados y aplicarlos a geometrías de flujo simples.

Las tareas de la investigación hidráulica son múltiples. Nuevos métodos más allá de los conocimientos y limitaciones presentes deben ser descubiertos. Nuevas ideas científicas y conocimientos de las disciplinas interrelacionadas tienen que ser integradas a nuevas y mejores soluciones ingenieriles. Esto incluye la documentación de la investigación y una transferencia eficiente del conocimiento a la comunidad ingenieril

SISTEMAS HIDRAULICOS

SISTEMAS HIDRAULICOS
Conforme los equipos accionados hidráulicamente se hacen más sofisticados, la
necesidad de un mejor entendimiento de su operación y mantenimiento se
incrementa. Los sistemas hidráulicos pueden ser simples o complejos. Pueden
operar a altas temperaturas (por ejem. 60 ºC, 140 ºF), altas presiones y ciclos
rápidos. Dividiremos el amplio tema de los sistemas hidráulicos en pequeños
tópicos y los cubriremos cada uno de ellos en boletines separados. Esto le dará
un mejor entendimiento de cada tema.
Este boletín inicial le dará un entendimiento básico de sistemas hidráulicos. Los
temas que saldrán posteriormente incluirán fuentes de contaminación,
indicadores del desempeño de filtros, aditivos a fluidos hidráulicos y reciclado y
mantenimiento preventivo.
Para empezar, la ley básica de la hidráulica establecida por Pascal "la presión
en cualquier punto en un líquido estático es la misma en cualquier dirección y
ejerce una fuerza igual en todas las áreas". Los fluidos son
prácticamente incompresibles, la fuerza mecánica puede ser dirigida y
controlada por medio de fluidos a presión.

Ley de Pascal: La presión en cualquier punto en un líquido estático es la misma en cualquier dirección y ejerce una fuerza igual en áreas iguales.
Las fuerzas mecánicas pueden ser transmitidas, multiplicadas y controladas mediante un fluido hidráulico bajo presión debido a que fuerza es igual a la presión por el área.
Muchos de los circuitos hidráulicos contienen cinco componentes mecánicos básicos: un recipiente, un filtro, una bomba, válvulas de control de flujo y un cilindro o actuador. También está el fluido hidráulico a considerar.
No importa que tan sofisticado se vuelva el sistema, el fluido hidráulico lleva a cabo en el sistema cuatro funciones simples:
• Transmitir potencia
• Lubricar la bomba, válvulas y sellos
• Proteger el sistema removiendo contaminantes
• Humedad
• Suciedad
• Calor
• Aire
• Sellar con los componentes internos

La presión aplicada dará al fluido la potencia necesaria para transmitir una fuerza dentro del sistema. Conforme la complejidad del sistema se incrementa, el trabajo requerido del fluido también se incrementa. El fluido suministra potencia y al mismo tiempo lubrica los componentes por los cuales fluye. El fluido hidráulico, como lubricante, reduce la fricción entre los componentes produciendo una barrera o película que separa las superficies que giran o se deslizan una sobre otra.
La viscosidad es una medida de la resistencia del fluido a fluir. Un fluido que tiene una alta resistencia a fluir (alta viscosidad) es como melaza fría o aceite para engranes SAE 140. Un fluido que tiene baja resistencia a fluir (baja viscosidad) es como el agua o aceite hidráulico SAE 10. La viscosidad del fluido está directamente relacionada con la habilidad del fluido para lubricar. Un fluido de alta viscosidad genera una película de mayor espesor entre las superficies lubricadas debido a que tiene una mayor resistencia a ser desplazado de las superficies lubricadas. La viscosidad del fluido cambiará con la temperatura del fluido. Incrementar la temperatura del fluido reducirá su viscosidad. Al contrario, al disminuir la temperatura del fluido se incrementa su viscosidad.

En muchos casos, el fluido es el único sello contra la presión interna en un componente hidráulico en donde no existe un anillo de sello entre el vástago y el cuerpo de la válvula para minimizar la fuga entre las áreas de alta presión y las de baja presión. El claro en el ajuste mecánico y la viscosidad del aceite determinan la cantidad de fuga.
Para mantener la fricción y el desgaste del sistema al mínimo, debe especificarse la filtración adecuada y usted debe usar el fluido de la viscosidad correcta y operar el sistema dentro de los parámetros de diseño apropiados.

APLICACIÓN DE LA HIDRAULICA EN LA ACTUALIDAD

APLICACIÓN DE LA HIDRAULICA EN LA ACTUALIDAD

Dentro de las aplicaciones se pueden distinguir dos, móviles e industriales:

-Aplicaciones Móviles: El empleo de la energía proporcionada por el aire y aceite a presión, puede aplicarse para transportar, excavar, levantar, perforar, manipular materiales, controlar e impulsar vehículos móviles tales como:
Tractores
Grúas
Retroexcavadoras
Camiones recolectores de basura
Cargadores frontales
Frenos y suspensiones de camiones
Vehículos para la construcción y mantención de carreteras

-Aplicaciones Industriales: En la industria, es de primera importancia contar con maquinaria especializada para controlar, impulsar, posicionar y mecanizar elementos o materiales propios de la línea de producción, para estos efectos se utiliza con regularidad la energía proporcionada por fluidos comprimidos. Se tiene entre otros:
Maquinaria para la industria plástica
Máquinas herramientas
Maquinaria para la elaboración de alimentos
Equipamiento para robótica y manipulación automatizada
Equipo para montaje industrial
Maquinaria para la minería
Maquinaria para la industria siderúrgica

-Otras Aplicaciones: Otras aplicaciones se pueden dar en sistemas propios de vehículos automotores, como automóviles, aplicaciones aerospaciales y aplicaciones navales, por otro lado se pueden tener aplicaciones en el campo de la medicina y en general en todas aquellas áreas en que se requiere movimientos muy controlados y de alta precisión, así se tiene:
Aplicación automotriz: suspensión, frenos, dirección, refrigeración, etc.
Aplicación Aeronáutica: timones, alerones, trenes de aterrizaje, frenos, simuladores, equipos de mantenimiento aeronáutico, etc.
Aplicación Naval: timón, mecanismos de transmisión, sistemas de mandos, sistemas especializados de embarcaciones o buques militares
Medicina: Instrumental quirúrgico, mesas de operaciones, camas de hospital, sillas e instrumental odontológico, etc.


La hidráulica tiene aplicaciones tan variadas, que pueden ser empleadas incluso en controles escénicos (teatro), cinematografía, parques de entretenciones, represas, puentes levadizos, plataformas de perforación submarina, ascensores, mesas de levante de automóviles.


Centrales hidroeléctricas
La energía hidroeléctrica es una de las más rentables. El costo inicial de construcción es elevado, pero sus gastos de explotación y mantenimiento son relativamente bajos. Aún así tienen unos condicionantes:
Las condiciones pluviométricas medias del año deben ser favorables
El lugar de emplazamiento está supeditado a las características y configuración del terreno por el que discurre la corriente de agua.
El funcionamiento básico consiste en aprovechar la energía cinética del agua almacenada, de modo que accione las turbinas hidráulicas.
En el aprovechamiento de la energía hidráulica influyen dos factores: el caudal y la altura del salto para aprovechar mejor el agua llevada por los ríos, se construyen presas para regular el caudal en función de la época del año. La presa sirve también para aumentar el salto.
Otra manera de incrementar la altura del salto es derivando el agua por un canal de pendiente pequeña (menor que la del cauce del río), consiguiendo un desnivel mayor entre el canal y el cauce del río.
El agua del canal o de la presa penetra en la tubería donde se efectúa el salto. Su energía potencial se convierte en energía cinética llegando a las salas de máquinas, que albergan a las turbinas hidráulicas y a los generadores eléctricos. El agua al llegar a la turbina la hace girar sobre su eje, que arrastra en su movimiento al generador eléctrico.

PIRNCIPIOS DE LA HIDRAULICA

PIRNCIPIOS DE LA HIDRAULICA

PRINCIPIO DE PASCAL
La presión aplicada en un punto de un líquido contenido en un recipiente se transmite con el mismo valor a cada una de las partes del mismo.
Este enunciado, obtenido a partir de observaciones y experimentos por el físico y matemático francés Blas Pascal (1623-1662), se conoce como principio de Pascal.
El principio de Pascal puede ser interpretado como una consecuencia de la ecuación fundamental de la hidrostática y del carácter incompresible de los líquidos. En esta clase de fluidos la densidad es constante, de modo que de acuerdo con la ecuación p = po + • g • h si se aumenta la presión en la superficie libre, por ejemplo, la presión en el fondo ha de aumentar en la misma medida, ya que • g • h no varía al no hacerlo h.
La prensa hidráulica constituye la aplicación fundamental del principio de Pascal y también un dispositivo que permite entender mejor su significado. Consiste, en esencia, en dos cilindros de diferente sección comunicados entre sí, y cuyo interior está completamente lleno de un líquido que puede ser agua o aceite. Dos émbolos de secciones diferentes se ajustan, respectivamente, en cada uno de los dos cilindros, de modo que estén en contacto con el líquido. Cuando sobre el émbolo de menor sección S1 se ejerce una fuerza F1 la presión p1 que se origina en el líquido en contacto con él se transmite íntegramente y de forma instantánea a todo el resto del líquido; por tanto, será igual a la presión p2 que ejerce el líquido sobre el émbolo de mayor sección S2, es decir:
p1 = p2
con lo que:
y por tanto:
Si la sección S2 es veinte veces mayor que la S1, la fuerza F1 aplicada sobre el émbolo pequeño se ve multiplicada por veinte en el émbolo grande.

PRINCIPIOS DE NEWTOM
La primera ley de Newton afirma que la aceleración de un objeto es proporcional a la fuerza neta a que está sometido. Si la fuerza neta es nula, la ley de Newton indica que no puede haber aceleración. Un libro situado sobre una mesa experimenta una fuerza hacia abajo debida a la gravedad, y una fuerza hacia arriba ejercida por la mesa (denominada fuerza normal). Ambas fuerzas se compensan exactamente, por lo que el libro permanece en reposo.
La segunda ley de Newton relaciona la fuerza total y la aceleración. Una fuerza neta ejercida sobre un objeto lo acelerará, es decir, cambiará su velocidad. La aceleración será proporcional a la magnitud de la fuerza total y tendrá la misma dirección y sentido que ésta. La constante de proporcionalidad es la masa m del objeto.
La tercera ley de Newton afirma que cuando un objeto ejerce una fuerza sobre otro, este otro objeto ejerce también una fuerza sobre el primero. La fuerza que ejerce el primer objeto sobre el segundo debe tener la misma magnitud que la fuerza que el segundo objeto ejerce sobre el primero, pero con sentido opuesto. Por ejemplo, en una pista de patinaje sobre hielo, si un adulto empuja suavemente a un niño, no sólo existe la fuerza que el adulto ejerce sobre el niño, sino que el niño ejerce una fuerza igual pero de sentido opuesto sobre el adulto. Sin embargo, como la masa del adulto es mayor, su aceleración será menor.

APLICACIÓN EN LA ANTIGÜEDAD

APLICACIÓN EN LA ANTIGÜEDAD

La rueda hidráulica y el molino de viento Son preámbulos de mucho interés para la historia de los sistemas con potencia fluida, pues familiarizaron al hombre con las posibilidades d los fluidos para generar y transmitir energía y le enseñaron en forma empírica los rudimentos de la Hidromecánica y sus propiedades.
 La primera bomba construida por el hombre fue la jeringa y se debe a los antiguos egipcios, quienes la utilizaron para embalsamar las momias. CTESIBIUS en el siglo II A.C., la convirtió en una bomba de doble efecto.
 En la segunda mitad del siglo XV, LEONARDO DA VINCI en su escrito sobre flujo de agua y estructuras para ríos, estableció sus experiencias y observaciones en la construcción de instalaciones hidráulicas ejecutadas principalmente en Milán y Florencia.
 GALILEO en 1612 elaboro el primer estudio sistemático de los fundamentos de la Hidrostática.
Un alumno de Galileo, TORRICELI, enunció en 1643 la ley del flujo libre de líquidos a través de orificios. Construyo El barómetro para la medición de la presión atmosférica.
 BLAISE PASCAL, aunque vivió únicamente hasta la edad de 39 años, fue uno de los grandes científicos y matemáticos del siglo XVII. Fue responsable de muchos descubrimientos importantes, pero en relación con la mecánica de fluidos son notables los siguientes:
o La formulación en 1650 de la ley de la distribución de la presión en un liquido contenido en un recipiente. Se conoce esta, como ley de Pascal.
o La comprobación de que la potencia del vacío se debe al peso de la atmósfera y no a un "horror natural" como se creyó por mas de 2000 años antes de su época.
 A ISAAC NEWTON, además de muchas contribuciones a la ciencia y a las matemáticas, se le debe en Mecánica de Fluidos:
o El primer enunciado de la ley de fricción en un fluido en movimiento.
o La introducción del concepto de viscosidad en un fluido.
o Los fundamentos de la teoría de la similaridad hidrodinámica.
Estos, sin embargo, fueron trabajados aislados de los cuales resultaron leyes y soluciones a problemas no conexos. Hasta la mitad del siglo XVIII no existía aun una ciencia integrada sobre El comportamiento de los fluidos.
Inmediatamente siguieron sin numero de aplicaciones y como era de esperarse, se abrió un mercado para el mismo sin precedentes y que superaba las disponibilidades tanto técnicas como financieras de su tiempo.
El segundo periodo, que comprende los últimos años del siglo XVIII y la mayoría del XIX, se caracterizó por la acumulación de datos experimentales y por la determinación de factores de corrección para la ecuación de Bernoulli. Se basaron en el concepto de fluido ideal, o sea que no tuvieron en cuenta una propiedad tan importante como la viscosidad. Cabe destacar los nombres de experimentalistas notables como ANTOINE CHEZY, HENRI DARCY, JEAN POISEUILLE en Francia; JULIUS WEISBACH Y G. HAGEN en Alemania. De importancia especial fueron los experimentos de Weisbach y las fórmulas empíricas resultantes que fueron utilizadas hasta hace poco tiempo.
Entre los teóricos de la Mecánica de Fluidos de este período, están LAGRANGE, HELMHOLTZ Y SAINT VENANT.
En los años posteriores a 1850 las grandes ciudades de Inglaterra instalaron centrales de suministros de energía hidráulica, la cual era distribuida a grandes distancias por tuberías hasta las fabricas donde accionaban molinos, prensas, laminadores y grúas.
Todavía funcionan en algunas ciudades europeas las redes de distribución de energía hidráulica. En Londres, por ejemplo, esta aun en servicio la empresa " The London Hydraulic Power Co.", con capacidad instalada de 700 HP y 180 millas de tubería de distribución. En la misma ciudad, el famoso Puente de la Torre, es accionado hidráulicamente, así como el ascensor principal en el edificio de la institución de los Ingenieros Mecánicos.
En 1930 se empezaron a construir las bombas de paletas de alta presión y se introdujeron los sellos de caucho sintético. Diez años después los servomecanismos electrohidráulicos ampliaron el campo de aplicación de la oleohidráulica (rama de la hidráulica que utiliza aceite mineral como fluido). Desde los años sesenta el esfuerzo investigativo de la industria y las entidades de formación profesional ha conducido hasta los sofisticados circuitos de la fluídica.

HISTORIA DE LA HIDRAULICA

HISTORIA


Desde la creación el hombre ha estado empeñado en multiplicar su fuerza física. Inicialmente se asocio con otros para aplicar cada uno su fuerza individual a un solo objeto. Posteriormente un ilustre desconocido inventó la rueda y otros la palanca y la cuña. Con estos medios mecánicos se facilitaron enormemente las labores. Pronto estos elementos se combinaron y evolucionaron hasta convertirse en ingenios mecánicos muy diversos, que fueron utilizados en la construcción de los pueblos, en las guerras y en la preparación de la tierra.
También el hombre al lado del desarrollo de los dispositivos mecánicos, empezó desde muy temprano la experimentación de la utilización de recursos naturales tan abundantes como el agua y el viento. Inicialmente se movilizo en los lagos y ríos utilizando los troncos de madera que flotaban. Más adelante la navegación se hizo aprovechando la fuerza de los vientos.
Los antiguos romanos y griegos aprovechaban ya la energía del agua; utilizaban ruedas hidráulicas para moler trigo. Sin embargo, la posibilidad de emplear esclavos y animales de carga retrasó su aplicación generalizada hasta el siglo XII. Durante la edad media, las grandes ruedas hidráulicas de madera desarrollaban una potencia máxima de cincuenta caballos. La energía hidroeléctrica debe su mayor desarrollo al ingeniero civil británico John Smeaton, que construyó por vez primera grandes ruedas hidráulicas de hierro colado.
Desde hace años, el desarrollo de nuestra sociedad se basa en la utilización de la energía, un amplio abanico de actividades productivas y recreativas. En un esquema simple sus aplicaciones se pueden dividir en dos grupos:
Combustibles de uso directo, empleados básicamente para la calefacción doméstica y de edificios de servicios, en diferentes procesos y equipos industriales y en automoción. Provienen en gran medida del petróleo, pero también del carbón y el gas natural. Suponen dos tercios del consumo de energía primaria en un país industrializado medio.
Electricidad, que se emplea en iluminación y en accionamiento de equipos; electrodomésticos y maquinaria industrial, hornos y otros procesos industriales. Proviene de diferentes fuentes: carbón y otros combustibles fósiles, energía hidráulica y nuclear. Representa un tercio de la energía primaria que utiliza un país industrializado medio.
En ambos casos, la energía se recibe desde empresas de medio y gran tamaño a través de redes de transportes y distribución complejas que suponen unas inversiones de fuerte magnitud. En la vuelta a las energías renovables, éstas se utilizan en gran medida para la producción de electricidad, pero también se obtienen de ellas combustibles de uso doméstico e industrial, así como biocombustibles líquidos para automoción.
La inserción de las renovables en el esquema energético se hace a través de las redes ya existentes de suministro eléctrico o de combustibles de uso directo, aunque también se plantea el uso de estas energías para satisfacer las demandas de comunidades aisladas de las redes de distribución energética convencionales.

CONSEPTO DE HIDRAULICA

CONCEPTO DE HIDRAULICA

Hidráulica, aplicación de la mecánica de fluidos en ingeniería, para construir dispositivos que funcionan con líquidos, por lo general agua o aceite. La hidráulica resuelve problemas como el flujo de fluidos por conductos o canales abiertos y el diseño de presas de embalse, bombas y turbinas. Su fundamento es el principio de Pascal, que establece que la presión aplicada en un punto de un fluido se transmite con la misma intensidad a cada punto del mismo.
La hidráulica es una rama de la física y la ingeniería que se encarga del estudio de las propiedades mecánicas de los fluidos. Todo esto depende de la fuerzas que se interponen con la masa (fuerza) y empuje de la misma.
Un sistema hidráulico constituye un método relativamente simple de aplicar grandes fuerzas que se pueden regular y dirigir de la forma más conveniente. Otras de las características de los sistemas hidráulicos son su confiabilidad y su simplicidad. Todo sistema hidráulico consta de unos cuantos componentes relativamente simples y su funcionamiento es fácil de entender.