Hidráulica

La hidráulica ( del griego antiguo ὕδωρ ( húdōr ) ' agua ' y αὐλός ( aulós ) ' tubo ' ) ^{[ 2 ]} es una tecnología y ciencia aplicada que utiliza la ingeniería , la química y otras ciencias que involucran las propiedades mecánicas y el uso de líquidos .  

La hidráulica, basada en la mecánica de fluidos, se utiliza para regular el uso de la energía mediante líquidos a presión . Forma parte de la historia de la humanidad desde la antigüedad. Los temas relacionados con la hidráulica se abordan en diversas áreas de la ciencia y en la mayoría de los módulos de ingeniería.

La hidráulica de superficie libre es la rama de la hidráulica que se ocupa del flujo en superficies libres, como el que se produce en ríos, canales, lagos, estuarios y mares. Su subcampo, el flujo en canales abiertos, estudia el flujo en canales abiertos.

La mecánica de fluidos proporciona la base teórica para la hidráulica, que se centra en la ingeniería aplicada utilizando las propiedades de los fluidos. En sus aplicaciones de potencia fluida , la hidráulica se utiliza para la generación, el control y la transmisión de energía mediante el uso de líquidos a presión . Los temas hidráulicos abarcan algunas áreas de la ciencia y la mayoría de los módulos de ingeniería, e incluyen conceptos como el flujo en tuberías , el diseño de presas , la fluidodinámica y los circuitos de control de fluidos. Los principios de la hidráulica se utilizan de forma natural en el cuerpo humano, en el sistema vascular y el tejido eréctil . ^{[ 3 ] [ 4 ]}

La hidráulica de superficie libre es la rama de la hidráulica que se ocupa del flujo de superficie libre , como el que se produce en ríos , canales , lagos , estuarios y mares . Su subcampo, el flujo en canales abiertos, estudia el flujo en canales abiertos .

En su nivel más básico, la hidráulica es la contraparte líquida de la neumática , que se ocupa de los gases .

Los primeros usos de la energía hidráulica se remontan a Mesopotamia y el antiguo Egipto , donde el riego se utilizaba desde el sexto milenio a. C. y los relojes de agua desde principios del segundo milenio a. C. Otros ejemplos tempranos de energía hidráulica incluyen el sistema Qanat en la antigua Persia, el sistema de agua Turpan en la antigua Asia Central y el acueducto de Piedras Bolas en el antiguo México.

Sri Lanka

En la antigua Sri Lanka, la hidráulica se utilizaba ampliamente en los antiguos reinos de Anuradhapura y Polonnaruwa . ^{[ 17 ]} El descubrimiento del principio de la torre de válvulas, o pozo de válvulas, (Bisokotuwa en cingalés) para regular la salida del agua se atribuye al ingenio de hace más de 2000 años. ^{[ 18 ]} Para el siglo I d. C., se habían completado varias obras de irrigación a gran escala. ^{[ 19 ]} La macro y microhidráulica para satisfacer las necesidades hortícolas y agrícolas domésticas, el drenaje superficial y el control de la erosión, los cursos de agua ornamentales y recreativos y las estructuras de contención, así como los sistemas de refrigeración, estaban en funcionamiento en Sigiriya , Sri Lanka. La ciudadela sobre la enorme roca del sitio incluye cisternas para recoger agua. Los grandes embalses antiguos de Sri Lanka son Kalawewa (rey Dhatusena), Parakrama Samudra (rey Parakrama Bahu), Tisa Wewa (rey Dutugamunu) y Minneriya (rey Mahasen).

mundo grecorromano

En la Antigua Grecia , los griegos construyeron sofisticados sistemas de agua y energía hidráulica. Un ejemplo es la construcción , por encargo público de Eupalinos , de un canal de agua para Samos : el Túnel de Eupalinos . Un ejemplo temprano del uso de una rueda hidráulica, probablemente el primero en Europa, es la rueda de Perachora (siglo III a. C.). ^{[ 20 ]}

En el Egipto grecorromano , destaca la construcción de los primeros autómatas hidráulicos por Ctesibio (activo hacia el 270 a. C.) y Herón de Alejandría (c. 10-80 d. C.). Herón describe varias máquinas que utilizaban energía hidráulica, como la bomba de presión , conocida por numerosos yacimientos romanos por su uso para elevar agua y en máquinas contra incendios. ^{[ 21 ]}

En el Imperio Romano se desarrollaron diversas aplicaciones hidráulicas, como el abastecimiento público de agua, innumerables acueductos , la generación de energía mediante molinos de agua y la minería hidráulica . Fueron de los primeros en utilizar el sifón para transportar agua a través de los valles y emplearon el sifón a gran escala para la prospección y posterior extracción de minerales metálicos. El plomo se utilizó ampliamente en los sistemas de fontanería para el suministro doméstico y público, como por ejemplo para alimentar las termas .

La minería hidráulica se utilizaba en los yacimientos de oro del norte de España, conquistados por Augusto en el año 25 a. C. La mina aluvial de oro de Las Médulas era una de las más grandes. Al menos siete largos acueductos la abastecían, y las corrientes de agua se utilizaban para erosionar los depósitos blandos y luego lavar los residuos para extraer el valioso contenido de oro. ^{[ 22 ] [ 23 ]}

Durante mediados del siglo XVI, el ingeniero italiano Giuseppe Ceredi perfeccionó el diseño de la bomba de tornillo de Arquímedes , aplicando principios matemáticos para mejorar su eficiencia en el riego y el drenaje, y obtuvo una patente para sus desarrollos. Las innovaciones de Ceredi, documentadas en Tre discorsi sopra il modo d'alzar acque da' luoghi bassi (1567), llevaron a la adopción generalizada de la tecnología en todo el sur de Europa. ^{[ 32 ] [ 33 ]} En 1619, Benedetto Castelli , alumno de Galileo Galilei , publicó el libro Della Misura dell'Acque Correnti o "Sobre la medición de las aguas corrientes", uno de los fundamentos de la hidrodinámica moderna. Se desempeñó como asesor principal del Papa en proyectos hidráulicos, es decir, gestión de ríos en los Estados Pontificios, a partir de 1626. ^{[ 34 ]} La ciencia e ingeniería del agua en Italia desde 1500 hasta 1800 en libros y manuscritos se presenta en un catálogo ilustrado publicado en 2022. ^{[ 35 ]}

Blaise Pascal (1623-1662) estudió la hidrodinámica y la hidrostática de fluidos, centrándose en los principios de los fluidos hidráulicos. Su descubrimiento sobre la teoría de la hidráulica lo llevó a inventar la prensa hidráulica , que multiplicaba una fuerza menor aplicada sobre un área menor, transformándola en una fuerza mayor aplicada sobre un área mayor, transmitida a través de la misma presión (o el mismo cambio de presión) en ambos puntos. La ley o principio de Pascal establece que, para un fluido incompresible en reposo, la diferencia de presión es proporcional a la diferencia de altura, y esta diferencia permanece constante independientemente de si la presión total del fluido cambia o no al aplicar una fuerza externa. Esto implica que, al aumentar la presión en cualquier punto de un fluido confinado, se produce un aumento igual en todos los demás extremos del recipiente; es decir, cualquier cambio de presión aplicado en cualquier punto del líquido se transmite sin disminución a través del fluido.

El médico francés Poiseuille (1797–1869) investigó el flujo sanguíneo a través del cuerpo y descubrió una ley importante que rige la velocidad del flujo con el diámetro del tubo por el que se produce dicho flujo. ^{[ 36 ]}

Varias ciudades desarrollaron redes hidráulicas urbanas en el siglo XIX para operar maquinaria como ascensores, grúas, cabrestantes y similares. Joseph Bramah ^{[ 37 ]} (1748–1814) fue un innovador temprano y William Armstrong ^{[ 38 ]} (1810–1900) perfeccionó el aparato para el suministro de energía a escala industrial. En Londres, la London Hydraulic Power Company ^{[ 39 ]} fue un importante proveedor. Sus tuberías abastecían a gran parte del West End de Londres , la City y los Docks , pero había sistemas restringidos a empresas individuales como muelles y patios de mercancías ferroviarias .

Una vez que los estudiantes comprenden los principios básicos de la hidráulica, algunos profesores utilizan una analogía hidráulica para ayudarles a aprender otras cosas. Por ejemplo:

• El ordenador MONIAC ​​utiliza el agua que fluye a través de componentes hidráulicos para ayudar a los estudiantes a aprender sobre economía.
• La analogía termohidráulica utiliza principios hidráulicos para ayudar a los estudiantes a comprender los circuitos térmicos.
• La analogía electrohidráulica utiliza principios hidráulicos para ayudar a los estudiantes a aprender sobre electrónica.

El requisito de conservación de la masa combinado con la compresibilidad del fluido produce una relación fundamental entre la presión, el flujo del fluido y la expansión volumétrica, como se muestra a continuación: ^{[ 40 ]}

${\displaystyle {\frac {dp}{dt}}={\frac {\beta }{V}}\left(\sum _{\text{en}}Q-{\frac {dV}{dt}}\right)}$

Suponiendo que se trata de un fluido incompresible o que la relación entre la compresibilidad y el volumen de fluido contenido es "muy grande", una tasa finita de aumento de presión requiere que cualquier flujo neto hacia el volumen de fluido recogido genere un cambio volumétrico.

• Leyes de afinidad
• Principio de Bernoulli
• Freno hidráulico
• Cilindro hidráulico
• Ingeniería hidráulica
• Hidrología
• Asociación Internacional de Ingeniería e Investigación Hidroambiental
• Sistemas hidráulicos en miniatura
• Accionamiento hidráulico de control secundario

• Rāshid, Rushdī; Morelon, Régis (1996), Enciclopedia de la historia de la ciencia árabe , Londres: Routledge, ISBN 978-0-415-12410-2.

• Principio de Pascal e hidráulica (copia archivada)
• El principio de la hidráulica
• Biblioteca multimedia de la IAHR: recurso web con fotos, animaciones y vídeos.
• Apuntes del curso de hidráulica del MIT