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HIDRÁULICA

UNIDAD 1

LA HIDRÁULICA E IMPORTANCIA DEL AGUA

l análisis de la importancia del agua en la naturaleza y su interacción con los seres vivos dentro de nuestro planeta tierra es explicable y vital para la sobrevivencia. La humanidad también ve como se deteriora el recurso en la tierra, y enfoca su objetivo al hallazgo de agua en otros planetas del universo para

proyectar y asegurar su existencia. Donde intervenga el recurso agua u otro tipo de fluidos intervienen los principios de la hidráulica. Un ejemplo claro viviente de una máquina hidráulica perfecta, es el ser humano y demás seres vivos. Con base en lo anterior, la ciencia que estudia el comportamiento de los fluidos ya sea en reposo o en movimiento se denomina HIDRÁULICA. Esta palabra deriva de las raíces griegas Hidro = agua y Aulos = tubo o conducción. 1.1 Historia de la Hidráulica

La evolución del ser humano, ha estado muy de cerca con el elemento agua como fluido vital para su sobrevivencia. Esta relación intrínseca, ha permitido desarrollar grandes obras hidráulicas para el uso y manejo del recurso hídrico. A la fecha hay vestigios de grandes civilizaciones como lo ocurrido en la Mesopotamia con la construcción de canales de riego para conducir agua de los ríos Tigris y Eufrates a las áreas de cultivo. En Babilonia (3,700 a.c.) diseñaron grandes colectores para la conducción de aguas servidas. En Egipto (2,500 a.c) manejaron obras de regulación para las crecidas del río Nilo. Asimismo, es impresionante el desarrollo hidráulico de canales y drenaje desarrollado por civilizaciones de América como la Inca en Perú y los Mayas en Guatemala. 1/

Históricamente grandes aportes a la ciencia de los fluidos se fueron dando a través del tiempo y de cómo ocurrieron esos avances como a continuación se describe:

Arquímedes (287 a.c.) aportó principios como el de flotación.

Leonardo Da Vinci (1452-1519) estableció la ecuación de la continuidad y diseño de máquinas hidráulicas.

Torricelli (1608-1647) aportó estudios sobre la variación de la presión atmosférica.

1/ Esta fase histórica de la Hidráulica, es una adaptación de lo descrito por Cabrera Cruz, V. M. Hidráulica Aplicada, 2006.

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UNIDAD I: LA HÍDRÁULICA E IMPORTANCIA DEL AGUA

Pascal (1623-1662) estableció el principio que lleva su nombre basado en la transmisión y control hidráulico. Principio de Pascal.

Newton (1642-1726) desarrolló modelos de semejanza hidráulica y realizó aportes sobre viscosidad dinámica.

Bernouilli (1700-1783) planteó el denominado Teorema de Bernouilli, ecuación basada en el balance de energía hidráulica.

Euler (1707-1783) realizó estudios sobre hidrodinámica, ecuaciones diferenciales sobre fluidos perfectos y turbo-máquinas.

Chezy (1718-1798) realizó estudios sobre velocidad media de corrientes en canales y modelos de semejanza en canales.

Lagrange (1736-1813) estableció la función potencial y función en corrientes.

Venturi (1746-1822) sus estudios de flujos en contracciones y tuberías cerradas

logró desarrollar en denominado “medidor venturi”.

Poiseuville (1799-1869) formuló análisis de resistencia en tubos capilares.

Darcy-Weisbach (1806-1871) desarrolló fórmulas para el cálculo de resistencia en tuberías y ecuaciones en vertederos.

Froude (1810-1879) realizó semejanza de modelos y prototipos hidráulicos y formuló un parámetro de régimen de flujos que lleva su nombre “Número de Froude”.

Stokes (1819-1903) realizó investigaciones sobre viscosidades de fluidos.

Reynolds (1843-1912) estableció diferencias hidráulicas en régimen laminar y turbulento. Desarrollo un parámetro adimensional de viscosidad que lleva su nombre “Número de Reynolds”.

Joukowski (1847-1921) estudió el golpe de ariete y perfiles aerodinámicos.

Prandtl (1875-1952) con base matemática sentó las bases de la aeronáutica y la mecánica de fluidos moderna.

Bazin, estudio y desarrolló diversas fórmulas para la medición de caudales en vertedores.

Hazen-Williams, estudió el flujo de tuberías y estimó las pérdidas de carga.

Manning, calculó la velocidad media de flujos en canales abiertos. 1.2 Importancia del recurso hídrico

En la actualidad, a nivel mundial se exige un mayor conocimiento del comportamiento y funcionamiento de los seres vivos y de su interacción con el entorno, el medio, o el ambiente global. Esta situación, relaciona la dinámica que existe entre los ecosistemas2/ y sus recursos naturales, y el hombre como actor principal. El medio natural visto como un sistema, se basa en un componente biótico que asocia a los seres vivos en interacción con el componente abiótico.

El agua un recurso natural abiótico como tal, está presente en todos los subcomponentes del medio natural, sean éstos: la atmósfera (el aire), la litósfera (el suelo) y la hidrósfera (océanos, lagos, ríos y agua subterránea). Ver Figura 1.1. Como conclusión y análisis de esto, resalta que el agua es un recurso natural de

2/ Ecosistema: Se refiere a la interacción de los componentes tanto bióticos como abióticos, en donde ocurren procesos ecológicos

de flujos de energía y ciclos de nutrientes para la supervivencia y mantenimiento del medio biótico. (Kiely, G. 1999).

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HIDRÁULICA

primer orden en la dinámica del planeta, debido a su presencia en todo componente de la biósfera3/ y básicamente porque es indispensable su presencia para la vida de todo ser vivo.

BIÓTICO

ABIÓTICO

Adaptado de Kiely, G. 1999

Figura 1.1. Dinámica de las interacciones entre los componentes bióticos y abióticos dentro de un ecosistema.

El agua es el líquido vital y esencial para la sobrevivencia de todo ser vivo en la tierra, sea esta especie humana, animal o vegetal. Éste se encuentra en los estados físicos: i) sólido ii) líquido, y iii) gaseoso. En cualquiera de las partes, se le llama el agua de constitución, y se refiere básicamente al contenido de agua. Este contenido es variable en todas las especies, tan sólo el ser humano posee al menos un 66 a 70%, comparado con otras especies como la sandía (Citrullus sp.) o el güisquil (Cucurbita sp.) que posee un alto contenido de agua equivalente al 99.9%. En el ambiente edáfico, también el agua se hace presente y constituye el medio acuoso o hídrico retenido por las partículas del suelo (arena, limo o arcilla). En el suelo, el agua ocupa el espacio poroso y su contenido varía de 15 a 35% y está en función de la composición textural del suelo, de las condiciones climáticas presentes y de la absorción por las raíces de las plantas. El agua presente en la atmósfera también condiciona a los seres vivos presentes y está representada como humedad relativa, y conjuntamente con la precipitación y la temperatura, son factores preponderantes del clima de una región, área o zona. La humedad presente en la atmósfera condiciona la temperatura ambiental, en función de que tan seco o húmedo esté el aire. De acuerdo a las condiciones del medio, sus valores de humedad relativa pueden ser arriba de 55%.

3/ Biósfera: Es el mayor nivel ecológico organizativo que incluye a la tierra y la atmósfera en la que existe vida; incluye la parte

superficial de la tierra, los océanos y los sedimentos situados en el fondo de los cuerpos de agua y la parte de la atmósfera ocupada por la vida. (Kiely, G. 1999).

COMUNIDAD DE

ORGANISMOS VIVOS

HIDRÓSFERA

(AGUA)

LITÓSFERA

(SUELO)

ATMÓSFERA

(AIRE)

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El agua desempeña una función vital como solvente para el transporte de elementos químicos, en donde desde el suelo se absorben soluciones nutritivas por medio de las raíces, y que luego los utiliza la planta para su crecimiento y desarrollo; este principio fisiológico se aplica al campo de la ferti-irrigación; en seguida, el agua se desprende como vapor a la atmósfera a través de los estomas, este proceso es conocido como transpiración. Por otro lado, dentro del denominado ecosistema humano (Castañeda, C., 1990) se señala que el hombre ha desarrollado cambios significativos de estructura y funcionamiento de los sistemas naturales, en función de los avances científico- tecnológicos a su disposición, importante para el soporte del desarrollo de actividades económicas para su beneficio. En el ámbito hídrico, el manejo de este recurso ha sido orientado a aprovechar las fuentes de agua superficiales o subterráneas que dispone el país, por ejemplo ríos o lagos para irrigar zonas de cultivo (proyecto de riego La Fragua en Zacapa o la Laguna de Retana en Jutiapa); crear reservorios o embalses para distintos usos como: generar electricidad (embalse Chixoy en Alta Verapaz), riego (Laguna del Hoyo en Monjas Jalapa), pozos perforados para extracción de agua para consumo humano en la ciudad capital y reservorios para usos pecuarios en el área rural, acuacultura y salineras (en el litoral del Pacífico); recreación (parque acuático Xocomil en Retalhuleu); también para realizar trasvases de ríos de una cuenca a otra (p.e. Proyecto Xayá- Pixcayá en Chimaltenango). Dentro del ámbito de la planificación y desarrollo de los recursos hídricos, sobresale que el agua es el recurso motor en donde se ven involucrados los sectores de producción de un país: agrícola, industrial, hidroeléctrico, minero, pecuario, de abastecimiento a poblados humanos, especialmente. De esa cuenta, el objetivo de manejo de los recursos hídricos de un país debe orientarse a lo siguiente:

Alcanzar el equilibrio cuantitativo del balance oferta – demanda.

Que el agua contribuya en el mejor aprovechamiento de los otros recursos naturales y específicamente fortalecer el proceso productivo del país o región.

Prever la distribución del recurso hídrico disponible, definiendo las prioridades de uso en función de su cantidad, calidad y oportunidad.

Establecer un ordenamiento de usos del agua coherente con el Plan Hídrico Nacional.

Asegurar la conservación y protección del recurso hídrico y minimizar su efecto destructivo.

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HIDRÁULICA

1.3 El Ciclo hidrológico

Los fenómenos meteorológicos son extremadamente complejos y poco comprensibles en su totalidad; sin embargo, el ciclo hidrológico es posible representarlo dentro del concepto de sistema4/ y sus componentes principales en tres subsistemas: i) subsistema agua atmosférica contiene los procesos de precipitación, evaporación, intercepción y transpiración; ii) subsistema agua superficial comprende los procesos de flujo superficial, escorrentía superficial, nacimientos de agua sub-superficial y subterránea, y escorrentía hacia ríos, lagos y océanos, y iii) subsistema de agua sub-superficial: contiene los procesos de infiltración, recarga de acuíferos, flujo sub-superficial (ocurre en la capa de suelo cercana a la superficie) y flujo de agua subterránea (ocurre en los estratos profundos de suelo o roca madre).

El ciclo hidrológico es un proceso dinámico y de constantes cambios en el tiempo y en el espacio que el agua desarrolla en sus diferentes formas (líquido, sólido y gaseoso). Este ciclo es continuo, no tiene principio ni tiene fin. El proceso ocurre así: el agua se evapora a la atmósfera de los océanos o de superficies libres de cuerpos de agua en la superficie terrestre. Ésta es continuamente evaporada de las masas descubiertas de agua y de otras superficies húmedas. Posteriormente, el vapor es condensado y depositado directamente en el suelo u otras superficies como rocío o neblina para formar las nubes, de donde regresa a la tierra como precipitación en sus distintas formas. Holdridge, L., (1982) indica que el agua por sus características físicas y por la abundancia en la tierra, es un componente esencial del clima. El vapor de agua que se eleva a la atmósfera se condensa por el efecto adiabático y se precipita como lluvia, nieve, granizo y otras formas a la superficie terrestre nuevamente. Al precipitarse el agua, parte se intercepta en la vegetación y la otra se comporta como flujo superficial en el suelo y el agua que logra infiltrarse en el suelo se comporta como flujo subsuperficial. Estos dos flujos (superficial y subsuperficial) se descargan en los ríos denominándose escorrentía superficial. Ver Ciclo hidrológico en la Figura 1.2. En el caso de Guatemala, durante la época en que no ocurren lluvias (época seca o de estiaje) los caudales que circulan en los ríos permanentes son menores que en la época lluviosa, esta situación se debe al proceso de infiltración del agua como flujo subsuperficial denominado flujo base. (Ven Te Chow, Maidment D., Mays L., 1994). Existe un principio dinámico del ciclo hidrológico que indica que el agua solamente se encuentra en cantidades limitadas en la superficie de la tierra, y está desigualmente distribuida en el tiempo (es decir, de un período a otro) y en el espacio (de un lugar a otro), con base en esto, Ven Te Chow, et al (1994), señala que el agua existe en un espacio llamado hidrósfera, que va desde los 15 kilómetros arriba de la atmósfera y 1 kilómetro por debajo de la litósfera. De esa cuenta, bajo condiciones estimadas por la UNESCO, (1978) y US Geological Survery, (1964), indican que el 96.5% del total del agua del planeta se encuentra en

4/ Sistema: Es un conjunto de partes conectadas entre sí, que forman un todo.

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los océanos, el restante 3.5%, se distribuye en 1.7% en la región polar, el 1.7% es agua subterránea y tan solo el 0.1% lo constituye el agua superficial y la atmosférica. Ver Cuadro 1.1.

Cuadro 1.1 Cantidades estimadas de agua en el mundo.

DESCRIPCIÓN ÁREA

(106 Km2) VOLUMEN

(Km3) % DE AGUA

TOTAL % DE AGUA

DULCE

Océanos 361.3 1,338,000,000 96.5

Agua subterránea

Dulce 134.8 10,530,000 0.76 30.10

Salada 134.8 12,870,000 0.93

Humedad del suelo 82.0 16,500 0.0012 0.05

Hielo polar 16.0 24,023,500 1.7 68.60

Hielo no polar y nieve 0.3 340,600 0.025 1.00

Lagos

Dulces 1.2 91,000 0.007 0.26

Salinos 0.8 85,400 0.006

Pantanos 2.7 11,470 0.0008 0.03

Ríos 148.8 2,120 0.0002 0.006

Agua biológica 510.0 1,120 0.0001 0.003

Agua atmosférica 510.0 12,900 0.001 0.04

Total de agua 510.0 1,385,984,610 100.00

Total de agua dulce 148.8 35,029,210 2.50 100.0 Fuente: UNESCO, 1978 y US Geological Survey. 1964.

Tomado de: Universidad complutense de Madrid, España, 2006.

Figura 1.2 Ciclo hidrológico a nivel regional y su dinámica hidrológica estratificada.

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1.4 Ejercicios de aplicación

1. Desarrollar en forma resumida, las aplicaciones que tiene la HIDRÁULICA en el

campo agronómico y las que puedan darse en el manejo de una finca o área rural productiva.

2. Que aplicaciones existen de la hidráulica en la generación, uso y

aprovechamiento de energía renovable.

3. Breve resumen sobre: ¿cuáles son las propiedades físicas y químicas del agua?

4. Discusión e investigación sobre: el papel benéfico y destructivo del agua.

5. Discusión e investigación sobre: ¿Cómo ejerce el agua su influencia en el clima?

6. En una comunidad rural al 2005 existen 450 habitantes y para el 2015 serán 1050. ¿Cuál es la demanda de agua actual y futura? ¿Alcanzará el agua si el caudal es de 1 litro/seg?

7. Discusión e investigación sintética sobre: los diferentes usos del agua en

Guatemala.

8. Hacer un análisis sobre la demanda y oferta de los recursos hídricos en

Guatemala. Este mismo análisis realizarlo dentro de su centro educativo- productivo agropecuario y forestal.

9. Dentro del concepto de valorización del agua, identificar y caracterizar los bienes y

servicios que se obtienen del agua dentro de su jurisdicción territorial (municipio, escuela, comunidad, departamento). Cuánto cuesta un litro de agua para consumo humano puesto en la casa? Cuánto cuesta un metro cúbico de agua para fines de riego?

10. Respecto al recurso hídrico, determinar el valor ambiental, valor económico,

valor cultural y valor social del agua.

11. En un sector urbano de Escuintla actualmente existe una población de 10,522 habitantes y alcalde del municipio decide contratar a una empresa para construir un sistema de agua potable. Si la tasa anual de crecimiento poblacional es de 2.68%, cuál será el caudal de diseño requerido para el proyecto si se piensa en una dotación de agua de 100 lts/habitante/día para una proyección de 25 años. Donde:

Pf = población estimada a futuro (habitantes) Pi = población actual (habitantes) Tcp = tasa de crecimiento poblacional anual (% en función relativa) n = años considerados para estimar la población futura (años)

Pf = Pi (Tcp+1)n

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