Hidráulica e Hidrología para Ingeniería

HIDRÁULICA E HIDROLOGÍA PARA INGENIERÍA [PDF]

Autor: Antonio Campos Cedeño, Evgeny Konstantinovich Sinichenko, Ilya Igorevich Gritsuk
Universidad de La Amistad de los Pueblos de Rusia Moscú
Año 2016

PRESENTACIÓN

Citamos unas palabras de Kozma Prutkov, personaje ficticio creado por el escritor ruso Aleksey Tolstoy: “Muchas cosas resultan incomprensibles para nosotros, no porque nuestra concepción sea débil, sino porque dichas cosas, no entran en el ámbito de nuestros conceptos”. El hecho de citar estas palabras es para indicar la inmensidad del conocimiento, pues nuestra existencia terrenal resulta demasiado poca frente al tiempo que se requiere para poder familiarizarnos y aplicar el conocimiento generado por la humanidad en todos sus ámbitos.
La clave para poder ser verdaderos protagonistas en cualquier campo que emprendamos, es sentar bases firmes desde los inicios y tener definido el método para el abordaje, comprensión, asimilación y aplicación de la ciencia y tecnología. De esta forma, conociendo lo existente, nuestras cualidades cerebrales habrán desarrollado una potencialidad para poder perfeccionar los métodos existentes e incluso para proponer nuevos métodos innovadores para el mejor aprovechamiento de los recursos naturales con los que contamos.
Desde el momento que entendamos que la vida es una continua lucha de campos opuestos, habremos encontrado la luz que nos muestra el ca-mino que nos hará trascender. En este sentido el éxito y el fracaso, la salud y la enfermedad, lo potencial y lo cinético, son parte de un todo indisoluble. Mientras más conozcamos las fuerzas internas y externas que caracterizan los fenómenos, estaremos en mejor capacidad para poder resolver las contradicciones que se dan entre ellos.
Nuestra actividad de vida está relacionada con el arte, la medicina y la ciencia en tópicos de ingeniería, como relevantes. Para la presente obra escogimos compartir con ustedes nuestra experiencia en el campo de la Hidráulica e Hidrología, pues es una temática con la cual hemos lidiado gran parte de nuestras vidas a nivel de desarrollo de proyectos y de docencia universitaria.
Desplegamos 5 partes vinculadas entre sí, por lo que sugerimos mantener la respectiva secuencialidad en el tratamiento de la información. Las partes son: Hidrostática, Hidrodinámica, Bombas Centrifugas, Hidrología e Hidráulica subterránea.
En el presente trabajo, sin entrar en el detalle de deducciones de fórmulas y expresiones matemáticas, se dan los criterios y principios físicos sobre los cuales los postulados y conceptos están fundamentados. Cuando se ha considerado necesario, se desarrollan ejercicios de aplicación con la finalidad de reforzar y esclarecer los contenidos.
Un aporte importante es la inclusión de las indicaciones sobre los soportes informáticos que actualmente se tienen para la automatización de los procesos de cálculo de los tópicos tratados. Pero sugerimos tener en cuenta que no existe máquina que supere a las potencialidades del hombre, y sólo estaremos en capacidad de interpretar bien los resultados que arrojan los programas, cuanto más sólidos sean nuestros conocimientos al respecto.
El presente trabajo está orientado tanto a estudiantes de ingeniería civil como a profesionales y especialistas involucrados en el diseño; construcción y explotación de obras hidráulicas en general.

CONTENIDO

1. HIDROSTÁTICA

1.1 INTRODUCCIÓN
1.2 FUERZAS QUE ACTÚAN EN LOS LÍQUIDOS EN REPOSO
1.2.1. Fuerzas volumétricas o de masa
1.2.2. Fuerzas superficiales
1.2.3. Fuerzas internas
1.2.4. Fuerzas externas
1.3 CONCEPTO BÁSICO DE HIDROSTÁTICA
1.4 PROPIEDADES DE LA PRESIÓN HIDROSTÁTICA
1.5 ECUACIÓN DIFERENCIAL DE EULER
1.6 ECUACIÓN PRINCIPAL DE LA HIDROSTÁTICA
1.7 LEY DE PASCAL
1.8 DIAGRAMAS DE PRESIÓN
1.8.1. Diagramas de presión en paredes planas
1.8.2. Diagramas de presión hidrostática residual
1.8.3. Suma de diagramas de presión hidrostática
1.9 FUERZA Y CENTRO DE PRESIÓN EN PAREDES PLANAS
1.9.1. Método gráfico
1.9.2. Método analítico
1.10 FUERZA Y CENTRO DE PRESIÓN EN SUPERFICIES CILÍNDRICAS
1.11 PARADOJA HIDROSTÁTICA
1.12 REPOSO RELATIVO (EQUILIBRIO) DE UN LÍQUIDO
1.12.1. Rotación de masas líquidas
1.12.2. Traslación de masas líquidas
1.12.3. Traslación horizontal
1.12.4. Traslación vertical
1.12.5. Traslación inclinada
1.13 LEY DE ARQUÍMEDES
1.14 FLOTACIÓN DE CUERPOS

2. HIDRODINÁMICA

2.1 INTRODUCCIÓN
2.2 PRINCIPALES PROPIEDADES FÍSICAS DE LOS LÍQUIDOS
2.3 FUNDAMENTOS DE LA HIDRODINÁMICA
2.4 CLASIFICACIÓN DEL MOVIMIENTO
2.4.1. Tipos de movimiento
2.4.2. Regímenes de movimiento
2.4.3. Chorros hidráulicos
2.5 MÉTODOS DE ESTUDIO DEL MOVIMIENTO DEL LÍQUIDO
2.5.1. Método de Euler
2.5.2. Método de Lagrange
2.6 ECUACIÓN DE CONTINUIDAD PARA UN LÍQUIDO REAL
2.7 ECUACIÓN DE BERNOULLI PARA UN FLUJO REAL
2.7.1. Sentido geométrico
2.7.2. Sentido físico
2.8 PENDIENTES
2.9 DETERMINACIÓN DE LAS PÉRDIDAS DE CARGA POR FRICCIÓN
2.9.1. Procedimiento analítico
2.9.2. Procedimiento experimental
2.9.3. Procedimiento gráfico
2.9.4. Fórmula de Hazen – Williams
2.10 DETERMINACIÓN DE LAS PÉRDIDAS DE CARGA LOCALIZADAS
2.11 COEFICIENTE DE PÉRDIDA DE CARGA DEL SISTEMA
2.12 CÁLCULO DE TUBERÍAS
2.12.1. Cálculo de tuberías cortas
2.12.2. Cálculo de tuberías largas simples
2.13 CONEXIÓN DE LAS TUBERÍAS
2.13.1. Tuberías conectadas en serie
2.13.2. Tuberías conectadas en paralelo
2.13.3. Distribución de agua en tránsito
2.14 NOCIONES SOBRE EL GOLPE DE ARIETE
2.15 SOFTWARE ESPECIALIZADO PARA TUBERÍAS
2.16 NOCIONES SOBRE CAVITACIÓN
2.17 ESCURRIMIENTO A TRAVÉS DE ORIFICIOS Y BOQUILLAS
2.17.1. Orificios
2.17.2. Boquillas
2.17.3. Clasificación de las boquillas
2.17.4. Tiempo de vaciado de un reservorio
2.18 SISTEMAS DE CONDUCCIÓN A GRAVEDAD
2.18.1. Canales de sección trapezoidal
2.18.2. Problemas típicos con canales
2.18.3. Sección de máxima eficiencia hidráulica
2.19 ENERGÍA ESPECÍFICA DE LA SECCIÓN
2.20 ESTADOS DEL FLUJO
2.21 SALTO O RESALTO HIDRÁULICO
2.21.1. Métodos de disipación del salto hidráulico
2.22 MOVIMIENTO ESTACIONARIO NO UNIFORME EN CANALES
2.22.1. Curvas de remanso
2.23 SOFTWARE ESPECIALIZADO PARA CANALES

3. BOMBAS CENTRÍFUGAS

3.1 INTRODUCCIÓN
3.2 BOMBA CENTRÍFUGA Y SUS CARACTERÍSTICAS
3.3 ECUACIÓN PRINCIPAL DE LAS BOMBAS CENTRÍFUGAS
3.4 ALTURAS DE SUCCIÓN E IMPULSIÓN
3.5 POTENCIA Y EFICIENCIA
3.6 CARACTERÍSTICAS DE LAS BOMBAS CENTRÍFUGAS
3.7 CÁLCULO DE LA TUBERÍA A PRESIÓN
3.8 FUNCIONAMIENTO DE LAS BOMBAS CON LAS TUBERÍAS
3.9 CONEXIONES DE LAS BOMBAS
3.9.1. Conexión en serie (Gráfico 83)
3.9.2. Conexión en paralelo (Gráfico 85)
3.10 ESQUEMA PARA PRÁCTICAS DE LABORATORIO
3.10.1. Práctica con bombas individuales
3.10.2. Práctica con bombas conectadas

4. HIDROLOGÍA

4.1 INTRODUCCIÓN
4.2 INFORMACIÓN GENERAL Y DEFINICIONES
4.2.1. Cuenca hidrográfica
4.3 APLICACIÓN DE SOFTWARE ESPECIALIZADO
4.3.1. Delimitación de una cuenca
4.3.2. Codificación de una red fluvial
4.3.3. Leyes de las cuencas hidrográficas
4.4 ESTIMACIÓN DE PARÁMETROS MORFOMÉTRICOS DE UNA CUENCA
4.4.1. Parámetros principales
4.4.2. Parámetros secundarios
4.5 FASES DE UN RÉGIMEN FLUVIAL
4.6 FORMACIÓN DEL ESCURRIMIENTO
4.7 CARACTERÍSTICAS HIDROLÓGICAS PRINCIPALES
4.8 RELLENO DE DATOS FALTANTES EN SERIES HIDROLÓGICAS
4.9 ELABORACIÓN DE LAS CURVAS DE PROBABILIDAD
4.9.1. Métodos estadísticos
4.9.2. Probabilidad y previsión
4.10 PRECIPITACIÓN - ESCORRENTÍA
4.10.1. Método racional
4.10.2. Método del hidrograma unitario
4.10.3. Software especializado para hidrogramas
4.11 BASES PARA EL CÁLCULO DE EMBALSES
4.12 NOCIONES SOBRE HIDROLOGÍA ESTOCÁSTICA
4.12.1. Modelos determinísticos y estocásticos
4.12.2. Campos de aplicación de modelos estocásticos

5. HIDRÁULICA SUBTERRÁNEA

5.1 AGUAS SUBTERRÁNEAS. NOCIONES Y DEFINICIONES
5.2 VELOCIDAD DE FILTRACIÓN Y FÓRMULA DE DARCY
5.3 COEFICIENTE DE PERMEABILIDAD
5.4 FILTRACIÓN DEL AGUA LAMINAR Y TURBULENTA
5.5 FÓRMULA PRINCIPAL DEL MOVIMIENTO NO-UNIFORME
5.6 CURVAS DE REMANSO
5.7 FÓRMULAS PARA EL CÁLCULO DEL CAUDAL
5.8 FILTRACIÓN EN ATAGUÍA HOMOGÉNEA RECTANGULAR
5.9 FILTRACIÓN EN PRESA HOMOGÉNEA DE TIERRA
5.10 CURVA DE SATURACIÓN EN PRESA CON NÚCLEO
5.11 POZOS Y GALERÍAS DE DRENAJE
5.12 DRENAJE EN ZONA DE SECADO
5.13 CAUDAL DE LAS AGUAS SUBTERRÁNEAS EN EXCAVACIONES
5.14 PARTICULARIDADES DEL MOVIMIENTO CONFINADO
5.15 FILTRACIÓN COMO UN MOVIMIENTO POTENCIAL DEL LÍQUIDO
5.16 RED HIDRODINÁMICA Y SU ELABORACIÓN GRÁFICA
5.17 SOFTWARE ESPECIALIZADO PARA ESTIMAR LA FILTRACIÓN

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