HIDRÁULICA GENERAL [PDF]
VOL 1 - FUNDAMENTOS
Autor: Gilberto Sotelo Avila
Universidad Nacional Autónoma de México
Limusa Noriega Editores
Primera Edición
PRESENTACIÓN
Los libros de mecánica de fluidos, usados actualmente como textos en los cursos del mismo nombre y en los cursos introductorios de hidráulica, forman una larga lista. Sin embargo, la mayoría no son obras originales escritas en español, difícilmente se adaptan a los programas de estudio vigentes en las facultades y escuelas de ingenieros de nuestros países, y además, casi invariablemente, ofrecen un tratamiento muy amplio, con la idea de que el material presentado pueda adaptarse a los cursos de cualquier rama de ingeniería a nivel profesional y, a veces, de posgrado. El objeto de esta obra es proporcionar al estudiante de habla castellana el grado de especialización que se requiere hoy día y, por ello, he tratado de incorporar en un texto de hidráulica de nivel profesional los fundamentos de la mecánica de fluidos que tienen aplicación directa a los problemas que atañen al ingeniero civil.
Los métodos de análisis de la mecánica de fluidos se basan; en los postulados fundamentales de la física, en las técnicas del análisis matemático y en resultados experimentales. Esto permite establecer ecuaciones de naturaleza general, en contraste con la hidráulica empírica, cuyas fórmulas corresponden a un área limitada de experimentación y, por tanto, requieren extrapolaciones que deben tomarse con cierta reserva.
Durante muchos años los métodos de análisis se basaron en el estudio del equilibrio dinámico de volúmenes de control infinitesimales y en el movimiento individual de las partículas. Las ecuaciones obtenidas de esta forma de análisis son de tipo diferencial y permiten obtener soluciones para casos particulares, sin importar la complejidad ni la diversidad de condiciones de frontera que se encuentren en la práctica.
En la última década ha sido importante el nuevo enfoque de la mecánica de fluidos basado en el análisis de volúmenes finitos de control.
Esto ha fundamentado y sistematizado los métodos de análisis ya tradicionales en hidráulica, la cual se ha ocupado principalmente del flujo unidimensional.
En esté libro no se presentan desarrollos y ecuaciones diferenciales que se consideran tradicionales en esta especialidad (por ejemplo, la ecuación de Navier Stokes), sino aquellos conceptos, métodos y ecuaciones que me parecen importantes para el ingeniero civil. Con este fin, he hecho énfasis en diferenciar las bases y las limitaciones que tienen las ecuaciones derivadas.
El texto fue preparado para impartir el primer curso semestral de hidráulica para estudiantes de ingeniería civil. Los temas y el orden de los mismos se adaptan al programa actualmente vigente en la Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional Autónoma de México.
El principio de continuidad, las ecuaciones del movimiento, la ecuación de la energía para el flujo permanente y la ley de la cantidad de movimiento se desarrollan ampliamente en la solución de problemas del flujo de líquidos. De esta manera, se trata de qué el estudiante comprenda claramente las propiedades de los líquidos, las leyes que rigen su movimiento y adquiera la habilidad necesaria para resolver problemas prácticos.
Los cinco primeros capítulos se dedican a la presentación de los principios fundamentales que abarcan la estática, cinemática y dinámica de líquidos. Se obtienen las ecuaciones fundamentales del tipo más general para flujo no permanente y se particularizan para el permanente.
En el capítulo 5 se presentan las leyes de similitud más importantes en la experimentación con el fin de hacer una rápida aplicación de la teoría y como antecedentes del flujo en tubos y canales, los capítulos 6 y 7 tratan principalmente de orificios, compuertas y vertedores de pared delgada.
Después, en el capítulo 8, se presenta la resistencia al flujo en conductos a presión como introducción al análisis de sistemas de tubos, tratado en el capítulo 9. El capítulo 10 expone la teoría del flujo con potencial como un modelo matemático para la solución de numerosos problemas de ingeniería civil.
Finalmente, en el capítulo 11 se proporciona una introducción a los aspectos importantes del empuje de un flujo sobre un cuerpo, de interés no sólo en la hidráulica, sino también como base para entender el empuje de viento sobre estructuras.
En hidráulica, la presentación tradicional de las leyes de similitud suele hacerse con base en el análisis dimensional. Sin embargo, considero que de esta manera el estudiante se preocupa más por entender el procedimiento matemático que la esencia de la teoría de la semejanza.
Por esta razón he incluido la metodología del análisis dimensional en un apéndice al final del libro, tratándolo como una herramienta matemática básica para el investigador que desea sistematizar un nuevo experimento.
CONTENIDO
CAPITULO 1. PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS
1.1 Introducción
1.2 Fuerzas que actúan en el interior de un fluido
1.3 Temperatura
1.4 Densidad y peso específico
1.5 Viscosidad
1.6 Compresibilidad
1.7 Presión de vaporización
1.8 Tensión superficial y capilaridad
1.9 Procesos y propiedades térmicas de los gases
1.10 Velocidad de las ondas sonoras en el seno de un fluido
Problemas
CAPITULO 2. HIDROSTÁTICA
2.1 Introducción
2.2 Ecuaciones fundamentales
2.3 Dispositivos para la medición de presiones hidrostáticas
2.4 Empuje hidrostático sobre superficies planas
2.5 Empuje hidrostático sobre superficies curvas
2.6 Principió de Arquímedes
2.7 Condiciones de equilibrio de los cuerpos en flotación
2.8 Equilibrio del movimiento
2.9 Fuerzas capilares
Problemas
CAPÍTULO 3. CINEMÁTICA DE LOS LÍQUIDOS
3.1 Introducción
3.2 Los campos de un flujo
3.3 Los campos vectoriales de velocidad, aceleración y rotacional
3.4 Clasificación de los flujos
3.5 Métodos para describir un flujo
3.6 Línea de corriente, trayectoria y tubo de flujo
3.7 Concepto de gasto o caudal
3.8 Función de corriente
Problemas
CAPITULO 4. ECUACIONES FUNDAMENTALES DE LA HIDRAULICA
4.1 Aspectos generales
4.2 Métodos de análisis
4.3 Ecuación de continuidad
4.4 Ecuación de la energía
4.5 Ecuación de la cantidad de movimiento
4.6 Sobre la aplicación de las ecuaciones de energía y de la cantidad de movimiento
4.7 Dispositivos de medición y de aforo
4.8 Pérdida debida a una ampliación brusca de sección. Fórmula de Bórda-Camot
Problemas
CAPITULO 5. SIMILITUD DINAMICA
5.1 Aspectos generales
5.2 Similitud geométrica
5.3 Similitud cinemática y dinámica
5.4 Leyes de similitud
5.5 Planeación y construcción del modelo
Problemas
CAPITULO 6. ORIFICIOS Y COMPUERTAS
6.1 Ecuación general de los orificios
6.2 Coeficientes de velocidad, contracción y gasto, en orificios de pared delgada
6.3 Pérdida de energía
6.4 Orificios de grandes dimensiones o cargas pequeñas
6.5 Orificios con contracción incompleta
6.6 Orificios con descarga sumergida
6.7 Compuertas
6.8 Orificios de pared gruesa
6.9 Orificios de forma especial
6.10 Perfil de chorro en orificios de pared delgada
6.11 Orificios bajo carga variable
Problemas
CAPÍTULO 7. VERTEDORES
7.1 Introducción
7.2 Vertedores de pared delgada
7.3 Vertedores de pared gruesa
7.4 Vertedores con cresta redondeada
Problemas
CAPÍTULO 8 . RESISTENCIA A L FLUJO EN CONDUCTOS A PRESIÓN
8.1 Aspectos generales
8.2 Fórmula de Darcy-Weisbach
8.3 Investigaciones experimentales sobre las pérdidas por fricción en tubos
8.4 Resistencia al flujo en tubos comerciales
8.5 Tubos de sección no circular
8.6 Fórmulas empíricas de fricción
8.7 Pérdidas locales
Problemas
CAPÍTULO 9. ANALISIS DE SISTEMAS DE TUBOS
9.1 Introducción
9.2 Dispositivos de aforo en tuberías
9.3 Conducto sencillo
9.4 Sistema de tubos en paralelo
9.5 Redes abiertas
9.6 Redes cerradas
9.7 Diámetro económico
Problemas
CAPÍTULO 10. FLUJOS CON POTENCIAL
10.1 Introducción
10.2 Ecuaciones fundamentales
10.3 Propiedades de la función potencial y condiciones de frontera
10.4 Métodos gráficos para una red de flujo bidimensional
1(^.5 Métodos numéricos de solución
10.6 Métodos de solución analítica
10.7 Analogías
Problemas
CAPITULO 11. EMPUJE DINÁMICO DE UN FLUJO SOBRE UN CUERPO
11.1 Aspectos generales
11.2 Conceptos fundamentales
11.3 Arrastre por fricción
11.4 Arrastre total de cuerpos bidimensionales
11.5 Arrastre total de cuerpos tridimensionales
11.6 Sustentación y vibración
11.7 Empuje de viento sobre estructuras
11.8 Empuje hidrodinámico sobre pilas de puente
11.9 Cavitación
Problemas
APÉNDICE A ANÁLISIS DIMENSIONAL
A .l Introducción
A.2 Sistemas de unidades
A.3 Factores de conversión
A.4 Análisis dimensional
Problemas
APÉNDICE B TEORÍA DE LOS FLUJOS VISCOSOS
B .l Concepto de cada límite y rugosidad superficial
B.2 Flujo laminar
B.3 Flujo turbulento
B.4 Leyes de resistencia al flujo turbulento
Problemas
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