conceptos y formulas basicas de la hidraulica

1. HIDRÁULICA
 Parte de la física que estudia el comportamiento mecánico del
agua superficial o subterránea
 Carácter pluridisciplinar
RELACIÓN CON OTRAS CIENCIAS
 Hidrología (aguas continentales)
 Hidrometeorología (lluvia)
 Hidrografía (descripción de los mares y corrientes de agua)
 Ingeniería ambiental

2. HIDRÁULICA
 Sistemas de unidades utilizados (Mecánica Clásica)
 Propiedades del agua:
 Densidad y peso específico
 Coeficiente de compresibilidad
 Viscosidad
 Tensión de saturación del vapor de agua
 Celeridad de las ondas elásticas

3. HIDRÁULICA
 Densidad:
ρ = 1.000 kg masa/ m3 (Sistema Internacional)
 Peso específico:
γ = 9.810 N / m3  10.000 N / m3 (Sistema Internacional)
 Coeficiente de compresibilidad
 = - (dV/V) / dp
 Módulo de elasticidad volumétrico:
Ke = - dp / (dV/V)
Ke = 21,39 x 108 N / m2 para 20ºC
Prácticamente invariable con la temperatura y con la presión

4. HIDRÁULICA
 Viscosidad
 =  (dv/dy)
En fluidos newtonianos la viscosidad absoluta  es independiente
gradiente de velocidad (velocidad de deformación angular (dv/dy)) y
solo depende de la temperatura y muy poco de la presión (AGUA)
Viscosidad cinemática
=/
1,57 x 10-6 m2/s para una temperatura de 4ºC y 1,01 x 10-6 para 20ºC
Tensión de saturación del vapor de agua
A 20ºC 0,238 m.c.a.
Celeridad de las ondas elásticas: Variable

5. HIDRÁULICA
 Consideraciones a tener en cuenta en problemas hidráulicos
(Formulación físico-matemática, coeficientes experimentales)
a) Comparación de condiciones generales y particulares
b) Aplicación del coeficiente empírico adecuado
c) Utilización de ábacos (condicionada por b)
 COEFICIENTES EXPERIMENTALES
 De fricción Darcy-Weisbach (f). (Se aplica a tuberías en presión)
 De rugosidad de Manning (n). (Cauces abiertos, conductos
parcialmente llenos)

6. HIDRÁULICA
COEFICIENTES EXPERIMENTALES
 De Manning-Strickler (M). (Tiene en cuenta la rugosidad de las
paredes de la conducción)
 De rugosidad de Bazin (ã). (Mismos casos que Manning).
 De rugosidad de Chezzy (C). (Mismos casos que los anteriores).
 Coeficiente de contracción (c). (Estrechamiento en la sección de
paso del agua).
 Coeficiente de Weisbach (k). (Apertura o cierre de válvulas,
compuertas).

7. HIDRÁULICA
COEFICIENTES EXPERIMENTALES
 Coeficiente de pérdidas en bifurcaciones (k). (Tiene en cuenta el
ángulo con el que se produzca la bifurcación.
 Coeficiente de Saint-Venant para pérdidas en codos y curvas
(k). (Depende del ángulo que formen las dos alineaciones de la
tubería).
 Coeficiente para cambio de sección. (Ensanches y
estrechamientos de tuberías).
 Coeficiente de pérdida de carga en el desagüe.

8. INGENIERÍA HIDRÁULICA
APLICACIONES
 Aprovechamientos hidroeléctricos
 Aprovechamientos industriales
 Aprovechamientos sanitarios (*)
 Aprovechamientos agrícolas
OBRAS HIDRÁULICAS
 Captación y regulación (Presas, azudes, pozos)
 Transporte
 Uso (Centrales hidroeléctricas, Redes)
 Obras de uso múltiple

9. INGENIERÍA HIDRÁULICA
USOS DEL AGUA
Utilización integral de una cuenca hidrográfica y una
unidad hidrogeológica
 USOS COMPATIBLES
 USOS COMPLEMENTARIOS
 USOS ALTERNATIVOS O INCOMPATIBLES
(La legislación prevé una preferencia según la repercusión social: primero
abastecimientos o poblaciones, segundo riegos, tercero energía y usos
industriales).
USOS DEL AGUA
 Consuntivos
 No Consuntivos

10. INGENIERÍA HIDRÁULICA
USOS DEL AGUA
USOS NO CONSUNTIVOS
 HIDROELÉCTRICOS (Retorno 100 % sin alteración de la calidad)
 NAVEGACIÓN (Retorno 100% posible alteración de la calidad)
 RECREATIVOS
USOS CONSUNTIVOS
 RIEGO (Retorna 0-50% con retraso y en puntos no definidos)
 ABASTECIMIENTOS (Retorna 65-70% sin calidad)
 RECREATIVOS

11. INGENIERÍA HIDRÁULICA
EFECTOS DE LAS OBRAS HIDRÁULICAS
 UNA OBRA HIDRÁULICA SIGNIFICA POR SÍ UNA ALTERACIÓN DE
LA NATURALEZA
 PERTURBACIÓN EN EL PAISAJE
 MODIFICACIÓN DE LAS CONDICIONES DEL HÁBITAT FLUVIAL
QUE OCASIONAN CAMBIOS EN LA FLORA Y FAUNA
CIRCUNDANTE

12. INGENIERÍA HIDRÁULICA
ETAPAS DEL DESARROLLO HIDRÁULICO
Desarrollo Inconexo o “De Oportunidad”
Es el período durante el cual se considera que hay agua sobrada para las
necesidades. No se cuida su utilización. Según la bibliografía se considera
que esta fase dura hasta utilizar el 50% de los recursos disponibles.
Desarrollo Integral
El agua ya no es sobrada para las necesidades. Ello obliga a prever y ordenar
su uso óptimo. Las cuencas hidrográficas y las unidades hidrogeológicas
se estudian como un conjunto y se proyectan las obras de forma que se
obtengan usos variados y con la mejor utilización total, sacando el
máximo partido posible a las obras de regulación. Esta etapa suele durar
hasta la utilización de un 80% de los recursos naturales.

13. INGENIERÍA HIDRÁULICA
ETAPAS DEL DESARROLLO HIDRÁULICO
Superaprovechamiento
Se sobrepasa la utilización de alrededor del 80% de los recursos naturales.
Preciso extremar aún más la ordenación del uso del agua y la
coordinación entre recursos y usos. Nos aproximamos al límite de
posibilidades. Para ello se reforman las obras existentes y se recurre a los
trasvases de cuencas, a la desalinización del agua del mar, a la depuración de
las aguas, a la recarga de acuíferos, a controlar la intrusión marina en
los acuíferos. Por todos estos motivos esta etapa se llama también de
aprovechamiento integral.

14. HIDROSTÁTICA
Parte de la hidráulica que estudia el comportamiento del agua en
estado de reposo
PRESIÓN
Componente normal de la fuerza que actúa sobre la superficie de
un determinado volumen de agua por unidad de área del
mismo
p=F/S
p=xgxh
pabs = prelativa + pabsoluta

15. HIDROSTÁTICA
PRINCIPIO DE PASCAL
Si se ejerce una presión cualquiera en la superficie
de un líquido en equilibrio, esta presión se
transmite íntegramente en todos los sentidos es
decir, a todas las moléculas del líquido
PRESIÓN SOBRE UNA PARED PLANA
La presión que los líquidos ejercen contra una pared
plana, es siempre normal a ella, cualquiera que
sea su orientación

16. HIDROSTÁTICA
EMPUJE
Fuerza total que está soportando una superficie de contorno,
forma y dimensiones determinados
PRESIÓN MEDIA
La Presión Media se obtiene dividiendo la presión total o
empuje, por el área de la superficie estudiada

17. HIDROSTÁTICA
PAREDES PLANAS SOPORTANDO PRESIÓN
HIDRÁULICA
Un cuerpo que se halla totalmente sumergido tiene todos los
puntos de su superficie externa sometidos a presión
hidrostática. El cuerpo trabajará mecánicamente a
compresión
Si debido a la disposición constructiva, el cuerpo plano sólo
soporta presión por una cara (compuertas planas o muros
en depósitos), la única presión actuante someterá a la
compuerta a esfuerzos de flexión y corte: ha de resistir
como una viga o como una placa

18. HIDROSTÁTICA
FLOTACIÓN
Principio de Arquímedes
Todo cuerpo inmóvil sumergido total o parcialmente en un
fluido, sufre un empuje de abajo arriba, equivalente al
peso del fluido desalojado. Este empuje se aplica en el
centro de gravedad del volumen del fluido desalojado.
Condiciones de equilibrio de los cuerpos flotantes
Si se sumerge en el agua un cuerpo de densidad inferior a ella, éste
se elevará hacia la superficie hasta quedar flotando en una posición
de equilibrio. La subpresión (flotando) será igual al peso del líquido
desplazado, y actuará en el centro de gravedad del volumen
desplazado, punto llamado centro de carena.
Se representa por G el c. de g. del cuerpo flotante, y por C el c. de carena.

19. HIDROSTÁTICA
FLOTACIÓN
Recíproco del Principio de Arquímedes
Todo cuerpo sumergido en un líquido pesado, en equilibrio
estático, ejerce sobre el líquido una presión vertical de
arriba abajo, igual al peso del volumen de líquido
desalojado

20. HIDRODINÁMICA
Parte de la hidráulica que estudia el comportamiento mecánico del agua en
movimiento
CLASIFICACIÓN DE LOS FLUJOS
Según las variaciones de las magnitudes hidráulicas (veloc.media y presión)
en el tiempo y el espacio (eje de la conducción).
• Régimen permanente (Q constante)
Régimen permanente uniforme (V=cte en tiempo y espacio)
Régimen permanente variado (V=cte en tiempo, no en espacio)
- - Gradualmente variado
- Bruscamente variado
• Régimen variable o transitorio (Q variable, V variable)
Golpe de ariete / Oscilación en masa

21. HIDRODINÁMICA
ECUACIÓN DE CONTINUIDAD
Expresión matemática consecuencia del principio de conservación de masa:
Dado un tubo de fluido cualquiera, por unidad de tiempo ingresa en él la
misma cantidad de fluido en un extremo que sale por el otro extremo.
S1 v1 = S2 v2
Caudal = Sección x velocidad
Variaciones de sección en tubos implicarán variaciones en la velocidad del
agua

22. HIDRODINÁMICA
NÚMERO DE REYNOLDS
Clasificación de las corrientes de agua generadas por el grado de turbulencia:
Corrientes laminares
Las partículas del líquido recorren trayectorias rectas y paralelas
entre sí
Corrientes turbulentas
Movimiento desigual de cada partícula (Pérdidas de energía)
Movimiento laminar < velocidad crítica < Movimiento turbulento
La velocidad crítica depende del diámetro del tubo y del valor de la densidad y
viscosidad del fluido.
Para cualquier fluido se presentan las condiciones críticas cuando el llamado
número de Reynolds, que es adimensional, supera a un valor experimental
del orden de 2.300

23. HIDRODINÁMICA
NÚMERO DE REYNOLDS
Re =  * V * D / 
Dado que
=/
El número de Reynolds en función de la viscosidad cinemática será:
Re = V * D / 
Por tanto la velocidad crítica se obtiene
Re = 2.300 = Vc * Dc / 

24. HIDRODINÁMICA
TEOREMA DE BERNOUILLI
Energía del Agua
Potencial: Por su altura sobre el nivel del mar
Ep = P * z
Cinética: Por su velocidad
Ec = m * v2 / 2 = P * v2 / 2 g
De presión: Por el peso del agua que tiene encima, o sea, por su
profundidad respecto del nivel libre superior
Epr = p * s * e = P * p / 
Habiendo tenido en cuenta que:
Peso = P = Volumen * peso específico = S * e * ; e = P /(S * )

25. HIDRODINÁMICA
TEOREMA DE BERNOUILLI
Energía del Agua
Las energías calorífica y elástica pueden despreciarse en hidráulica
Etotal = Epotencial + Ecinética + Epresión
Energía por unidad de peso:
Potencial: Ep = P * z E=z
Cinética: Ec = P * v2 / 2 g E = v2 / 2 g
De presión: Epr = P * p /  E=p/

26. HIDRODINÁMICA
TEOREMA DE BERNOUILLI
Es una relación matemática de las condiciones energéticas que definen
una corriente permanente de un líquido. Para llegar al teorema se parte del
principio de la conservación de la energía mecánica en un sistema cerrado,
utilizándose en este caso el concepto de energía por unidad de peso.
Energía inicial = energía en cualquier instante = cte
zo + po / + vo 2 / (2 * g) = zn + pn / + vn2 / (2 * g) = constante

27. HIDRODINÁMICA
CARGA HIDRÁULICA
La carga hidráulica es la energía por unidad de peso:
Carga hidráulica = h = z + p /  + v2 / (2 * g)
Plano de carga o carga hidráulica es el nivel de energía más alto de la
conducción, el cual se encuentra siempre en el origen, debido a las pérdidas
de carga que sufre el agua en su desplazamiento.
La diferencia, constante existente entre el plano de carga y plano de
comparación se denomina altura de Bernouilli HB

28. HIDRODINÁMICA
PÉRDIDAS DE CARGA
Energía inicial = Energía en un estado posterior + Eperdida
TEOREMA DE BERNOUILLI GENERALIZADO
zo + po / + vo 2 / (2 * g) = zn + pn / + vn2 / (2 * g) + h = constante
Pérdidas h:
• Debidas al rozamiento ordinario a lo largo de la conducción
• Producidas en las singularidades
hB = J1 * L1 + J2 * L2 + ……+ Jn * Ln + hsingularidad = (J * L) + hsingularidad

29. HIDRODINÁMICA
LINEA PIEZOMÉTRICA
Es una línea ideal representativa de la altura o nivel de presión
existente en cada punto de la conducción
Línea Piezométrica = h = z + p / 
Conducciones por gravedad: h = z
Conducciones a presión: h = z + p / 
LINEA DE ENERGÍA
Es una línea ideal representativa del nivel de energía real, es decir, el
plano de carga particular que existe en cada punto.
Se obtiene restando del plano de carga inicial, el valor de las pérdidas de
carga habidas por toda causa entre el origen y el punto considerado.

30. HIDRODINÁMICA
Entre la línea piezométrica y la línea de energía, queda, en cualquier
punto, una distancia o altura vertical correspondiente a la
velocidad con que fluye el punto líquido considerado: es el
sumando V2 / (2 * g) de la suma de Bernouilli.
RÉGIMEN PERMANENTE A SECCIÓN CONSTANTE
Las líneas piezométricas y de energía son paralelas: las separa en todo
momento la altura representativa de una velocidad constante.
APARICIÓN DE SINGULARIDAD SIN CAMBIO DE DIÁMETRO
Bajada brusca de ambas líneas, que equivale a la pérdida de carga
prácticamente instantánea por la singularidad
CAMBIO DE DIÁMETRO
Disminución de sección: La línea piezométrica baja mucho más que la de
energía. Separación de las líneas
Aumento de sección: Acercamiento de las líneas

31. HIDRODINÁMICA
El eje hidráulico de una conducción cerrada da las alturas geométricas
o cotas z de cada punto representativo de la conducción.
El eje hidráulico de una corriente abierta (canal), es de muy distinta
naturaleza porque equivale a la línea piezométrica (nivel libre).
La coincidencia entre la línea piezométrica y la línea de energía sólo se
produce en condiciones hidrostáticas
zA + pA / = zB + pB / 

32. HIDRODINÁMICA
NIVEL FREÁTICO
Ccncepto ligado a las aguas subterráneas.
El nivel freático es la superficie que separa la zona saturada de agua de
la no saturada de agua en un medio poroso y por tanto se
encuentra siempre a la presión atmosférica.
Este concepto sólo se utiliza cuando nos encontramos con acuíferos
libres, pues son los únicos en los que la presión de este nivel es la
atmosférica.
En otro tipo de almacenamiento de aguas subterráneas se tiene que
hablar de nivel piezométrico y no freático, pues la presión de la
superficie libre es distinta de la atmosférica.