LABORATORIO HIDRAULICA UIS

1. MATERIA: HIDRÁULICA
PROFESOR: ANDRÉSALMEIDA ORTIZ
AUXILIAR DE LABORATORIO: ADRIÁNRODRÍGUEZ SUAREZ
ESTUDIANTES: WILMER EDUARDO POVEDA VILLANOVA CÓD.: 2050396
NIXON YAIR SEPÚLVEDA VERJEL CÓD.: 2051598
CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA Y CANTIDAD DE MOVIMIENTO
OBJETIVOS GENERALES
Utilizar y comprobar experimentalmente las ecuaciones de conservación de energía y cantidad de
movimiento en el canal rectangular en presencia de contracciones o elevaciones que se puedan
presentar.
OBJETIVOS ESPECIFICOS
Comprender el flujo dentro del canal abierto y analizar los conceptos de energía
específica, energía mínima, profundidad critica, cambio de régimen y alturas alternas.
Por medio d la ecuación de conservación de movimiento calcular la fuerza que realiza el
flujo sobre la compuerta.
Clasificar el flujo según el efecto de la viscosidad
Identificar estructuras de control
INTRODUCCION
En esta práctica de laboratorio se busca aplicar las leyes de conservación como la ley de
conservación de energía específica y la de conservación del movimiento para encontrar las alturas
con las que fluye el agua en determinados puntos de un canal rectangular y compararlas con las
tomadas en el laboratorio, así como calcular la fuerza de empuje y estudiar el régimen del fluido
antes y después de que se produzca el resalto hidráulico. También se quiere encontrar la energía
específica del flujo para determinados caudales.
Los datos experimentales fueron tomados durante la realización de la práctica, se debe tener
presente que hay datos que son estándares razón por la cual no fueron tomados en el laboratorio,
como el ancho del canal de vidrio rectangular en el cual se realizaron los experimentos el cual es
de 41.2 [cm], y ahora, aplicando los conocimientos adquiridos en clase, buscamos encontrar
dichos valores pero teóricos para compararlos, encontrar el error existente entre estos dos datos
(experimentales y teóricos) y encontrar una fuente de error para tratar de disminuirlo.
Se elabora el informe con el fin de afianzar, aplicar y complementar los conocimientos teóricos
adquiridos en la clase y observar su aplicación en la vida real.

2. MARCO TEORICO
La energía de canales
Dado un canal que escurre en régimen permanente y con flujo uniforme:
y1
y2
Planteando Bernoulli entre las dos secciones de escurrimiento definidas por y1 e y2
2
B1 = B2 + hf y1 v1
B1 z1 2g
2
y2 v2
B2 z2 2g
Para condiciones de régimen permanente y flujo uniforme, la pérdida de energía corresponde sólo
a pérdidas de energía potencial, luego se tiene que:
hf = pérdida de energía = z1 – z2
En base a lo anterior se puede definir la energía específica (E)
2
E B Z E y v
2
y
Q
2g 2
2g A
Para un canal en régimen permanente y flujo uniforme se tiene E1 = E2
Para un canal trapezoidal:
Q2
E y
2 g (b y y z)2
La ecuación anterior resulta ser una ecuación cúbica para y. Esto implica que para un mismo nivel
de energía existen dos posibilidades de régimen:
Torrente Fr > 1
Río Fr < 1

3. Derivando la expresión de la energía con respecto a la altura de escurrimiento se puede demostrar
que el escurrimiento crítico se produce asociado a un nivel de energía mínimo.
Para canales trapezoidales
2
2 V
2
l Q l
Fr 1
gA
1
g A
3
Se define
yc altura crítica (m)
Q
q = caudal por unidad (m3/s) de ancho
l
Para canales rectangulares se puede expresar la altura crítica como:
2/3
yc
q Válido solo canales rectangulares
3 g
Energía crítica en canal rectangular
2 2
Q q
Ec yc 2
yc 2
1g b2 yc 2g yc
2
2 Q 3
q g* yc
b
3
g* yc
Ec yc 2
1. 5 yc
2 g * yc
La cantidad de movimiento en canales
y1
y2

4. Ecuación de la Momenta
Se define la ecuación de momenta en función del caudal y la geometría de la sección. Z es la
profundidad del centroide de la sección de escurrimiento.
2
Q
Mi
g Ai
Z Ai ;
La energía y la momenta son mínimas para el régimen crítico.
Paso de torrente a río
Resalto Hidráulico
Río
Torrente y1
y2
En un resalto existen pérdidas de energía por turbulencias, pero se mantiene la cantidad de
movimiento
Utilizando la ecuación de la momenta se tiene
2 2
Q Q
g A1 Z 1 A1 g A2 Z 2 A2
Las alturas y1 e y2 se denominan alturas congujadas. Para un canal rectangular, se tiene la
siguiente expresión:
y1 1 1
2 Fr 2
2
y2 2 2
y1 1
1 8 Fr 2 1
2
y2 2

5. Para estimar la longitud del resalto existen relaciones experimentales calculadas para canales
rectangulares:
- Bakhmeteff : l = 4.5 yc
l y1
- F.J. Domínguez : 18 20
yc yc
Los resaltos son fenómenos inestables, en los que se desarrolla una gran turbulencia con la
consiguiente pérdida de energía. Se deben ubicar en secciones rectangulares protegidas.
Aplicaciones de la ecuación de Momenta
1. Dado un valor de energía específica, se tienen dos alturas posibles
Q
E y 2
2g A
y1 = yrRégimen de río
y2 = ytRégimen de torrente
En la naturaleza se tiende a producir aquel régimen de flujo que este asociado a un mayor valor de
cantidad de movimiento (momenta)
PROCEDIMIENTO
PARTE A. Se establece un caudal, se desliza la compuerta hacia abajo del canal de vidrio creando
un resalto hidráulico y se toman distancias como: y1=Altura del agua antes de la compuerta; h= la
distancia entre el fondo del canal y la compuerta; y2= altura después del resalto; y3= altura
después de que el agua se estabilice. Estos valores se encuentran teóricamente para compararlos
y encontrar fuentes de error.
PARTE B. Se introdujo en el canal un obstáculo triangular generando un cambio en el nivel del
fondo del canal, se hacen separaciones de 4cm marcando sobre la cara externa del canal y se toma
la altura entre el nivel del agua y el obstáculo ubicado en el fondo. Con esto se pretende encontrar
la energía específica, energía crítica, flujo sub crítico y súper crítico.
TABLA DE DATOS
En la Tabla 1 se encuentran los datos de cada una de las alturas tomadas en PARTE A de esta
práctica.

6. PARTE A (tabla 1)
3
Q [m /s] Y1 [m] Y2 [m] Y3[m]
0.0154 0.235 0.019 0.106
0.0171 0.283 0.021 0.125
0.0191 0.345 0.017 0.145
En la Tabla 2 se observan los datos de altura desde el nivel del agua hasta el obstáculo en forma
triangular localizado en el fondo del canal, datos tomados durante la PARTE B de nuestra primera
práctica.
PARTE B (tabla 2)
3 3
Q [m /s] Y [m] Q [m /s] Y [m] Q [m3/s] Y [m] Q [m3/s] Y [m]
0.135 0.135 0.124 0.129
0.134 0.127 0.123 0.117
0.133 0.113 0.114 0.104
0.123 0.083 0.098 0.086
0.106 0.067 0.079 0.059
0.0194 0.0211 0.0152 0.0172
0.084 0.051 0.057 0.055
0.065 0.045 0.048 0.048
0.053 0.044 0.042 0.046
0.043 0.039 0.041
0.036 0.04
TABLA DE RESULTADOS
Antes de tabular los resultados obtenidos después de realizar todos los cálculos correspondientes,
mostraremos un cálculo tipo de cada uno de los datos encontrados y consignados en la Tabla 3 y
Tabla 4 para la PARTE A. Los cálculos de la PARTE B se mostrarán en la Tabla 5.
PARTE A
Conociendo el valor del caudal, la altura inicial Y1 y el ancho del canal, podemos aplicar la
ecuación de conservación de la energía específica, igualando dicha energía en los puntos 1 y 2 del
canal, así:
Como Q = V/A, entonces V = Q*A

7. El ancho del canal rectangular de vidrio del laboratorio es igual a 41.2 [cm]=0.412 [m].
Teniendo estos valores, podemos calcular el valor de teórico, así:
CALCULO TIPO DE Y2 TEORICO
Para saber cuál de estos valores escoger, es necesario calcular el valor de yc y saber el régimen del
flujo para poder comparar dicha información con estos valores, y descartar dos de ellos.
Como en el punto 2, se encuentra un resalto hidráulico, se genera un cambio de flujo, el flujo pasa
de ser subcrítico a supercrítico, por tal razón la altura debe estar por debajo de la altura crítica, la
cual calcularemos con la siguiente fórmula, empleada sólo para canales rectangulares.
Donde q = Q*b
El valor que se encuentre más cercano al yc, será el que elegiremos.
CALCULO TIPO DE Yc
Escogemos a

8. Para encontrar el porcentaje de error entre este valor teórico y el experimental aplicamos la
siguiente fórmula:
CALCULO TIPO DEL %E DE Y2
Para encontrar el valor teórico de Y3,es necesario emplear la siguiente fórmula:
Donde Y2 es el valor teórico.
CALCULO TIPO DE Y3TEORICO
CALCULO TIPO DEL %E DE Y3

9. Ahora se debe encontrar el valor de la fuerza resultante que actúa sobre la compuerta, para esto
se emplea la siguiente ecuación:
CALCULO TIPO DE F
PARTE A (tabla 3)
EXPERIMENTAL TEORICO
3
Q [m /s] Y1 [m] Y2 [m] Y3[m] Yc [m] Y2 [m] Y2 [m] Y2 [m] %E (Y2)
0.0154 0.235 0.019 0.106 0.0160 0.0183 -0.0160 0.230 3.825
0.0171 0.283 0.021 0.125 0.0172 0.0181 -0.0170 0.283 16.022
0.0191 0.345 0.017 0.145 0.0185 0.0182 -0.0173 0.345 6.593
PARTE A (tabla 4)
EXPERIMENTAL TEORICO
3
Q [m /s] Y2 [m] Y3[m] Y2 [m] Fr Y3 [m] %E (Y3) Fd [KN]
0.0154 0.0190 0.1060 0.0183 4.8207 0.1159 8.5781 194.6106
0.0171 0.0210 0.1250 0.0181 5.4418 0.1305 4.2440 290.1812
0.0191 0.0170 0.1450 0.0182 6.0283 0.1463 0.9069 478.1366
PARTE B
Para calcular la energía específica utilizamos la siguiente ecuación:
Donde

10. CALCULO TIPO DE E
b [m] = 0.412
PARTE B (tabla 5)
3 3
Q [m /s] =0.0194 Q [m /s] =0.0211 Q [m3/s] =0.0152 Q [m3/s] =0.0172
Y [m] V [m⁄s] E [m] Y [m] V [m⁄s] E [m] Y [m] V [m⁄s] E [m] Y [m] V [m⁄s] E [m]
0.135 0.349 0.1412 0.135 0.379 0.1423 0.124 0.298 0.1285 0.129 0.324 0.1343
0.134 0.351 0.1403 0.127 0.403 0.1353 0.123 0.300 0.1276 0.117 0.357 0.1235
0.133 0.354 0.1394 0.113 0.453 0.1235 0.114 0.324 0.1193 0.104 0.401 0.1122
0.123 0.383 0.1305 0.083 0.617 0.1024 0.098 0.376 0.1052 0.086 0.485 0.0980
0.106 0.444 0.1161 0.067 0.764 0.0968 0.079 0.467 0.0901 0.059 0.708 0.0845
0.084 0.561 0.1000 0.051 1.004 0.1024 0.057 0.647 0.0784 0.055 0.759 0.0844
0.065 0.724 0.0917 0.045 1.138 0.1110 0.048 0.769 0.0781 0.048 0.870 0.0866
0.053 0.888 0.0932 0.044 1.164 0.1131 0.042 0.878 0.0813 0.046 0.908 0.0880
0.043 1.095 0.1041 0.039 0.946 0.0846 0.041 1.018 0.0938
0.036 1.025 0.0895 0.04 1.044 0.0955
Ahora graficaremos los datos de altura contra energía específica.
En un canal rectangular
Ahora necesitamos el valor de Yc experimental, es decir donde la energía específica es mínimo.
Q [m3/s] q [m4/s] Yc [m] Ec [m]
0.0194 0.0080 0.0187 0.028
0.0211 0.0087 0.0197 0.030
0.0152 0.0063 0.0159 0.024
0.0172 0.0071 0.0172 0.026

11. PREGUNTAS
a) ¿Que es la energíaespecífica y a que está directamente relacionada?
La energía específica en la sección de un canal se define como la energía por kilogramo de agua
que fluye a través de la sección, medida con respecto al fondo del canal.
Más adelante se probará que esta condición de energía específica mínima corresponde al estado
crítico de flujo. Por consiguiente, en el estado crítico es claro que las dos profundidades alternas se
convierten en una, la cual es conocida como profundidad crítica Yc.
b) ¿Que es profundidad crítica y en que secciones del canal debería presentarse?
La profundidad crítica es la profundidad que corresponde al valor de energíacrítica que es la
energía mínima que puede tener la lámina de agua para ser capaz de transportar el caudal que dio
origen a la curva.
c) ¿Qué relación tienen las profundidades alternas en la curva de energía específica?
Cuando la profundidad de flujo es mayor que la profundidad crítica, la velocidad de flujo es menor
que la velocidad crítica para un caudal determinado y, por consiguiente, el flujo es subcrítico.
Cuando la profundidad del flujo es menor que la profundidad crítica, el flujo es supercrítico.

12. d) Explique el cambio de régimen sub-critico a supercrítico en las secciones de control.
La estructura especial que se inserta en el canal que produce el control hidráulico debe asegurar
un estrechamiento (reducción) seguida por una expansión, ya sea en el plano horizontal o en el
plano vertical..
Los mecanismos de contracción seguidos por expansión para producir un control se pueden
presentar en una forma general pensando que el estado de flujo crítico tiende a ocurrir en la
sección de máximo estrechamiento antes de que el agua sea liberada en una región donde no
existan restricciones para el flujo.
e) ¿Qué es una estructura de control?
El control hidráulico es una forma especial de transición y se consigue insertando una estructura (o
dispositivo especial) que cambie la naturaleza del flujo de subcrítico a supercrítico. Durante este
cambio de régimen de flujo, este debe pasar por la condición crítica y se establece el control
hidráulico.
f) Mencione dos estructuras de control presentes en el laboratorio.
Compuerta
Obstáculo triangular
CONCLUSIONES Y OBSERVACIONES
Observamos que el obstáculo en el canal, produce un resalto hidráulico que genera un cambio en
el régimen de flujo.
Como la altura inicial del flujo es mayor a la altura crítica encontrada teóricamente podemos
afirmar que el cambio fue de régimen subcrítico a régimen supercrítico. Porque cuando las alturas
están por encima del Yc es un régimen subcrítico, y por debajo del Yc subcrítico.
La altura crítica se obtiene en el punto donde la energía sea mínima, esto se muestra con la curva
de energía específica.
Al analizar características del flujo como caudal, energía específica, altura crítica, etc. Tenemos una
idea del comportamiento del flujo antes y después del resalto hidráulico.
Cuando introducimos un obstáculo en el canal, aparece una fuerza generada por el obstáculo,
haciendo que la energía específica antes y después del resalto sea distinta, además las alturas
antes y después del obstáculo eran diferentes lo que hace que el área, velocidad y por
consiguiente la energía difiera antes y después del resalto.
BIBLIOGRAFÍA
http://es.wikibooks.org/wiki/Hidrosistemas/Hidr%C3%A1ulica/#Flujo_cr.C3.ADtico
Chow, Ven Te. Hidráulica de Canales Abiertos. Mc Graw Hill: Santafé de Bogotá. 1994.