Mapa conceptual y resúmen HIDRÁULICA BÁSICA
Mapa conceptual
La hidráulica estudia el comportamiento de los fluidos y sus interacciones con las fuerzas. Se exploran conceptos como densidad, presión y viscosidad, así como los principios de Pascal y Arquímedes en la hidrostática. En hidrodinámica, se analizan flujos y la conservación de masa y energía, aplicando ecuaciones como la de Bernoulli y Darcy-Weisbach. Se examinan también efectos como el Venturi y el golpe de ariete en sistemas de fluidos.
Resumen
Esquema
Fundamentos de la Hidráulica y Propiedades de los Fluidos
La hidráulica es una rama de la física enfocada en el estudio de los comportamientos de los fluidos y su interacción con las fuerzas externas. Esta ciencia examina propiedades fundamentales de los fluidos como la masa, que representa la cantidad de materia contenida, y la densidad, definida como la masa por unidad de volumen. Otras propiedades cruciales son la densidad relativa, que compara la densidad de un fluido con la del agua; el peso específico, que es el peso por unidad de volumen; y la viscosidad, que describe la resistencia interna de un fluido a fluir. Estas propiedades son vitales para comprender el comportamiento de los fluidos en diversas condiciones y son aplicables en sistemas de hidráulica, desde el diseño de tuberías hasta la ingeniería de presas.Principios de la Hidrostática y la Presión en Fluidos
La hidrostática es la rama de la hidráulica que estudia los fluidos en estado de reposo y se basa en principios fundamentales como el de Pascal, que establece que la presión ejercida sobre un fluido incompresible y en equilibrio dentro de un recipiente cerrado se transmite íntegramente en todas direcciones; y el de Arquímedes, que indica que un cuerpo sumergido en un fluido experimenta un empuje vertical ascendente igual al peso del volumen del fluido desplazado. La presión, definida como la fuerza aplicada perpendicularmente por unidad de área, es una magnitud esencial en hidrostática y su valor puede cambiar con la profundidad, la altitud y la temperatura. Se mide en pascal (Pa) y se puede medir con instrumentos como manómetros y barómetros. Además, es importante distinguir entre presión absoluta, que es la medida respecto al vacío perfecto; presión manométrica, que es la medida sobre la presión atmosférica; y presión de vacío, que es menor que la atmosférica.Hidrodinámica: Estudio de los Fluidos en Movimiento
La hidrodinámica se centra en el análisis de los fluidos en movimiento y las fuerzas que influyen en ellos. Se apoya en leyes de conservación de la masa, la energía y el momento lineal. Los regímenes de flujo pueden ser laminar, donde las partículas del fluido se mueven en capas paralelas sin mezclarse, o turbulento, caracterizado por un movimiento caótico y mezclado. La ecuación de continuidad establece que la masa de un fluido que fluye a través de una tubería es constante a lo largo de su trayectoria, y la ecuación de Bernoulli relaciona la energía mecánica total en cualquier punto de un fluido ideal en movimiento con la conservación de la energía a lo largo de una línea de corriente. Estos principios son esenciales para el diseño y análisis de sistemas hidráulicos y de fluidos en ingeniería.Energía en los Fluidos y la Ecuación de Bernoulli
Los fluidos poseen la capacidad de almacenar y transferir energía en diversas formas: energía de presión, cinética y potencial. La energía de presión se relaciona con la capacidad de un fluido para realizar trabajo cuando se le permite expandirse; la energía cinética está vinculada al movimiento del fluido; y la energía potencial depende de la posición del fluido en un campo gravitatorio. La ecuación de Bernoulli es una herramienta clave en hidrodinámica que relaciona estas formas de energía para un fluido en movimiento incompresible y sin viscosidad, permitiendo predecir cómo la energía total se conserva entre dos puntos a lo largo de una línea de corriente. Esta ecuación es fundamental para entender el comportamiento de los fluidos en aplicaciones prácticas como la aerodinámica y la hidrología.Pérdidas de Carga y la Ecuación de Darcy-Weisbach
Las pérdidas de carga son disminuciones en la energía mecánica de un fluido debido a la fricción con las paredes de las tuberías y otros factores como la turbulencia y los cambios de dirección. La ecuación de Darcy-Weisbach es una fórmula empírica que permite calcular estas pérdidas en función de factores como la longitud y el diámetro de la tubería, la rugosidad de las paredes, la velocidad del fluido y el coeficiente de fricción. Esta ecuación es de gran importancia en el diseño de sistemas hidráulicos, como redes de distribución de agua y sistemas de riego, donde las pérdidas de carga deben ser minimizadas para asegurar un funcionamiento eficiente.Efectos Dinámicos en los Fluidos y sus Aplicaciones
Los fluidos en movimiento pueden exhibir fenómenos dinámicos interesantes como el efecto Venturi, que se produce cuando un fluido pasa a través de una sección de tubería estrecha, resultando en una disminución de la presión y un aumento de la velocidad. La ecuación de Torricelli describe la velocidad de un fluido que sale por un orificio bajo la acción de la gravedad. El golpe de ariete es un fenómeno transitorio que ocurre cuando hay un cambio brusco en el flujo de un fluido, como el cierre rápido de una válvula, generando ondas de alta presión que pueden dañar las tuberías. Estos efectos son cruciales para el diseño, operación y mantenimiento de sistemas hidráulicos, y deben ser cuidadosamente considerados para evitar problemas operativos y garantizar la seguridad.
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1. DEFINICIONES Y PROPIEDADES
HIDRÁULICA
LA RAMA DE LA FÍSICA QUE ESTUDIA EL COMPORTAMIENTO DE LOS FLUIDOS EN FUNCIÓN DE SUS PROPIEDADES Y FUERZAS
FLUIDO
LÍQUIDO
UN TIPO DE FLUIDO MÁS DENSO QUE LOS GASES Y PRÁCTICAMENTE INCOMPRESIBLE
GAS
UN TIPO DE FLUIDO QUE OCUPA TODO EL RECIPIENTE QUE LO CONTIENE
MASA
UNA MAGNITUD QUE INDICA LA CANTIDAD DE MATERIA DE UN CUERPO, MEDIDA EN KG
2. HIDROSTÁTICA
PRINCIPIOS FUNDAMENTALES
LOS PRINCIPIOS DE PASCAL Y DE ARQUÍMEDES RIGEN EL COMPORTAMIENTO DE LOS FLUIDOS EN ESTADO DE REPOSO
PRESIÓN
PRESIÓN ATMOSFÉRICA
LA PRESIÓN EJERCIDA POR LA ATMÓSFERA DEBIDO AL PESO DE LA COLUMNA DE AIRE ENCIMA DE ELLA
PRESIÓN ABSOLUTA, RELATIVA Y DE VACÍO
LA PRESIÓN MEDIDA EN RELACIÓN AL CERO ABSOLUTO, A LA PRESIÓN ATMOSFÉRICA LOCAL O POR DEBAJO DE LA ATMOSFÉRICA
PRINCIPIO DE ARQUÍMEDES
UN CUERPO SUMERGIDO EN UN FLUIDO EXPERIMENTA UN EMPUJE VERTICAL Y HACIA ARRIBA IGUAL AL PESO DEL VOLUMEN DEL FLUIDO DESALOJADO
3. HIDRODINÁMICA
PRINCIPIOS FUNDAMENTALES
LOS PRINCIPIOS DE CONSERVACIÓN DE LA MASA, DE LA ENERGÍA Y DE LA CANTIDAD DE MOVIMIENTO RIGEN EL COMPORTAMIENTO DE LOS FLUIDOS EN MOVIMIENTO
TIPOS DE FLUJOS
FLUJO INCOMPRESIBLE
UN TIPO DE FLUJO EN EL QUE LA DENSIDAD DEL FLUIDO PERMANECE CONSTANTE
FLUJO PERMANENTE
UN TIPO DE FLUJO EN EL QUE LAS CONDICIONES DE VELOCIDAD, DENSIDAD, PRESIÓN O TEMPERATURA NO CAMBIAN CON EL TIEMPO
FLUJO LAMINAR
UN TIPO DE FLUJO EN EL QUE LAS PARTÍCULAS SIGUEN UNA TRAYECTORIA PREDECIBLE
CAUDAL DE UNA INSTALACIÓN Y ECUACIÓN DE LA CONTINUIDAD
EL CAUDAL ES LA CANTIDAD DE LÍQUIDO QUE PASA POR UNA SECCIÓN TRANSVERSAL EN UN TIEMPO DETERMINADO Y SE MANTIENE CONSTANTE EN UNA INSTALACIÓN GRACIAS A LA ECUACIÓN DE LA CONTINUIDAD
LA ENERGÍA DEL FLUIDO Y LA ECUACIÓN DE BERNOULLI
LA ECUACIÓN DE BERNOULLI ESTABLECE QUE LA ENERGÍA MECÁNICA TOTAL DE UN FLUIDO IDEAL ES CONSTANTE A LO LARGO DE UNA LÍNEA DE CORRIENTE
4. TIPOS DE ENERGÍA EN LOS FLUIDOS
ENERGÍA DE PRESIÓN
LA ENERGÍA DE FLUJO QUE GENERA UN TRABAJO
ENERGÍA CINÉTICA
LA ENERGÍA QUE POSEE UN FLUIDO EN MOVIMIENTO DEBIDO A SU MASA
ENERGÍA POTENCIAL
LA ENERGÍA QUE POSEE UN FLUIDO DEBIDO A SU MASA Y ALTURA
5. ECUACIÓN DE LA ENERGÍA
SIMPLIFICACIÓN DE LA FÓRMULA DE NAVIER A LA DE BERNOULLI
LA ECUACIÓN DE BERNOULLI SE OBTIENE AL SUPONER UN BAJO ROZAMIENTO EN LAS MANGUERAS
PÉRDIDAS DE CARGA
PÉRDIDAS CONTINUAS O PRINCIPALES
PÉRDIDAS DE PRESIÓN DEBIDO AL ROZAMIENTO CON LAS PAREDES Y LA VISCOSIDAD DEL FLUIDO
PÉRDIDAS SINGULARES O SECUNDARIAS
PÉRDIDAS DE PRESIÓN DEBIDO A FENÓMENOS DE TURBULENCIA EN CODOS Y BIFURCACIONES
APLICACIÓN DEL TEOREMA DE BERNOULLI
HERRAMIENTA ÚTIL PARA COMPRENDER EL COMPORTAMIENTO DE LOS FLUIDOS
6. EFECTOS EN LOS FLUIDOS
EFECTO VENTURI
AUMENTO DE LA ENERGÍA CINÉTICA Y DISMINUCIÓN DE LA ENERGÍA DE PRESIÓN EN UN PUNTO DEBIDO A LA ECUACIÓN DE CONTINUIDAD Y BERNOULLI
ECUACIÓN DE DESCARGA O DE TORRICELLI
PERMITE CALCULAR LA VELOCIDAD DE SALIDA DE UN FLUIDO EN UN ORIFICIO POR EFECTO DE LA GRAVEDAD
REACCIÓN EN PUNTA DE LANZA
FUERZA DE REACCIÓN EN SENTIDO CONTRARIO AL FLUJO DE AGUA EN UNA MANGUERA, DEPENDIENDO DEL ORIFICIO Y LA PRESIÓN
GOLPE DE ARIETE
SOBREPRESIÓN Y DEPRESIÓN CAUSADAS POR LA INTERRUPCIÓN DEL FLUJO EN UNA TUBERÍA
HIDRÁULICA BÁSICA
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00
Los líquidos se caracterizan por ser casi ______, lo que se debe a su alta ______.
incompresibles
densidad
01
Definición de hidrostática
Estudio de fluidos en reposo y las fuerzas que actúan sobre ellos.
02
Principio de Pascal
Presión aplicada a un fluido incompresible se transmite íntegra en todas direcciones.
