Libro de Hidráulica de Canales Fundamentos en pdf
Juan H Cadavid. R.
La hidráulica
en la Mecánica e Ingeniería Civil
en la Mecánica e Ingeniería Civil
El líquido es uno de los estados en que se
manifiesta la materia. El hombre tiene contacto cotidiano con diversas variedades de ellos. Aparecen
como alimento, en el fenómeno lluvia-escorrentía, como combustibles, en el
funcionamiento del propio cuerpo, o en toda clase de procesos industriales. Para su aprovechamiento
se requiere almacenarlos o transportarlos. La comprensión y modelación de estos
procesos encaja dentro de la mecánica de fluidos, una rama más especializada de la mecánica del medio continuo.
manifiesta la materia. El hombre tiene contacto cotidiano con diversas variedades de ellos. Aparecen
como alimento, en el fenómeno lluvia-escorrentía, como combustibles, en el
funcionamiento del propio cuerpo, o en toda clase de procesos industriales. Para su aprovechamiento
se requiere almacenarlos o transportarlos. La comprensión y modelación de estos
procesos encaja dentro de la mecánica de fluidos, una rama más especializada de la mecánica del medio continuo.
Las dificultades operativas inherentes a sistemas
de muchas partículas requieren de otro tipo de idealización del cuerpo libre, llamado medio continuo y por tanto de
una nueva especialización de la mecánica: la mecánica del medio
continuo (o del medio deformable).
Es allí donde justamente comienza a hacerse necesario
el cuarto principio, el cual se consolida en la mecánica de fluidos donde llega a ser
imprescindible. La conservación de la masa se reduce a la del volumen en aquellas
aplicaciones donde el fluido se comporta como incompresible. El principio se conoce, en consecuencia,
como de la continuidad.
de muchas partículas requieren de otro tipo de idealización del cuerpo libre, llamado medio continuo y por tanto de
una nueva especialización de la mecánica: la mecánica del medio
continuo (o del medio deformable).
Es allí donde justamente comienza a hacerse necesario
el cuarto principio, el cual se consolida en la mecánica de fluidos donde llega a ser
imprescindible. La conservación de la masa se reduce a la del volumen en aquellas
aplicaciones donde el fluido se comporta como incompresible. El principio se conoce, en consecuencia,
como de la continuidad.
1.1.1.
Hidráulica
Hidráulica
La hidráulica
sería, en consecuencia, la aplicación del método integral de la mecánica de fluidos a aquellos problemas de la vida práctica en que intervienen líquidos2. Podría agregarse – no sin cierta reserva- que ésta es la rama aplicada de la mecánica
de los fluidos incompresibles.
sería, en consecuencia, la aplicación del método integral de la mecánica de fluidos a aquellos problemas de la vida práctica en que intervienen líquidos2. Podría agregarse – no sin cierta reserva- que ésta es la rama aplicada de la mecánica
de los fluidos incompresibles.
1.1.2.
Ingeniería Hidráulica
Ingeniería Hidráulica
La ingeniería
es quien se ocupa hoy en día de la solución de problemas prácticos en que intervienen líquidos. Estaría, por consiguiente, plenamente justificada una
asociación entre hidráulica e ingeniería4. Se da así en la práctica. De allí que se hable
en forma corriente de ingeniería
hidráulica,
en el caso específico de la ingeniería civil, y se presente como una de las especializaciones de esta rama de la ingeniería.
es quien se ocupa hoy en día de la solución de problemas prácticos en que intervienen líquidos. Estaría, por consiguiente, plenamente justificada una
asociación entre hidráulica e ingeniería4. Se da así en la práctica. De allí que se hable
en forma corriente de ingeniería
hidráulica,
en el caso específico de la ingeniería civil, y se presente como una de las especializaciones de esta rama de la ingeniería.
1.1.3.
El método de la hidráulica
El método de la hidráulica
A pesar de esta visión esencialmente práctica, es
complicado deslindar totalmente la hidráulica de la mecánica de fluidos. Es
aún más difícil delimitar una frontera precisa; determinar
dónde acaba la mecánica de fluidos y comienza la hidráulica. Sin embargo, hay un aspecto que podría dar alguna luz
en este asunto.
complicado deslindar totalmente la hidráulica de la mecánica de fluidos. Es
aún más difícil delimitar una frontera precisa; determinar
dónde acaba la mecánica de fluidos y comienza la hidráulica. Sin embargo, hay un aspecto que podría dar alguna luz
en este asunto.
CAPÍTULO 1
INTRODUCCIÓN A LA HIDRÁULICA DE CANALES ………………………………………… 1
1.1. LA HIDRÁULICA EN LA MECÁNICA Y EN LA INGENIERÍA ……………………………………………….
2
1.2 CONCEPTOS BÁSICOS …………………………………………………………………………………..
1 2
1.3 EJERCICIOS PROPUESTOS ……………………………………………………………………………..
5 7
CAPÍTULO 2
PRINCIPIO DE ENERGÍA EN HIDRÁULICA DE CANALES ……………………………… 5
9
2.1 DISTRIBUCIÓN DE PRESIÓN EN UN CANAL …………………………………………………………..
6 0
2.4 EJERCICIOS PROPUESTOS ……………………………………………………………………………..
9 5
CAPÍTULO 3
FLUJO CRÍTICO ……………………………………………………………………………..
9 7
3.1 CARACTERÍSTICAS ………………………………………………………………………………………
9 8
3.2 CÁLCULO DEL FLUJO CRÍTICO …………………………………………………………………………
9 8
3.3 CONCEPTO DE ENERGÍA MÍNIMA …………………………………………………………………….
104
3.4 ACCESIBILIDAD DEL FLUJO …………………………………………………………………………….117
3.5 CHOQUE HIDRÁULICO ………………………………………………………………………………….118
3.6 EJERCICIOS PROPUESTOS ……………………………………………………………………………
145
CAPÍTULO 4
153
4.1 CAUDAL Y FLUJO CRÍTICO ……………………………………………………………………………
154
4.3 COMPUERTA ……………………………………………………………………………………………
170
4.5 EJERCICIOS PROPUESTOS ……………………………………………………………………………
217
CAPÍTULO 5
PRINCIPIO DE MOMENTUN EN HIDRÁULICA DE CANALES ………………………… 223
5.1 ECUACIÓN DE CONSERVACIÓN DEL MOMENTUM
………………………………………………… 224
5.2 FUNCIÓN DE MOMENTUM …………………………………………………………………………..
225
5.3 RESALTO HIDRÁULICO …………………………………………………………………………………
239
5.4 EJERCICIOS PROPUESTOS ……………………………………………………………………………
255
CAPÍTULO 6
261
6.1 CARACTERÍSTICAS ……………………………………………………………………………………
262
6.2 CÁLCULO DEL FLUJO UNIFORME …………………………………………………………………….
264
6.2.3.3 CANALES CON RUGOSIDAD VARIABLE ……………………………………………………………
278
6.3 FLUJO UNIFORME Y FLUJO CRÍTICO ………………………………………………………………..
282
6.3.1 PENDIENTE CRÍTICA………………………………………………………………………………..
283
6.3.2 TIPOS DE CANAL …………………………………………………………………………………….
286
6.3.3 ZONAS DE UN CANAL ………………………………………………………………………………
291
6.4 APLICACIONES DEL FLUJO UNIFORME ………………………………………………………………
293
6.5 EJERCICIOS PROPUESTOS ……………………………………………………………………………
293
CAPÍTULO 7
297
7.1 PERFIL DE FLUJO ………………………………………………………………………………………
298
7.2 ECUACIÓN DIFERENCIAL DEL FGV
………………………………………………………………… 298
7.2.1 HIPÓTESIS GENERALES …………………………………………………………………………….
298
7.3 TIPOS DE PERFIL DE FLUJO ………………………………………………………………………….
305
7.4 INTEGRACIÓN DE LA ECUACIÓN DIFERENCIAL ……………………………………………………..
315
7.4.1 MÉTODO DIRECTO DE LOS PASOS ……………………………………………………………….
317
7.4.2 MÉTODO ESTÁNDAR DE LOS PASOS ………………………………………………………………
318
7.5 EL CÁLCULO DE UN PERFIL DE FLUJO …………………………………………………………….
321
7.6 EJERCICIOS PROPUESTOS ……………………………………………………………………………
348
LISTA DE SÍMBOLOS ……………………………………………………………………..
363
BIBLIOGRAFÍA ……………………………………………………………………………..
367
INTRODUCCIÓN A LA HIDRÁULICA DE CANALES ………………………………………… 1
1.1. LA HIDRÁULICA EN LA MECÁNICA Y EN LA INGENIERÍA ……………………………………………….
2
1.2 CONCEPTOS BÁSICOS …………………………………………………………………………………..
1 2
1.3 EJERCICIOS PROPUESTOS ……………………………………………………………………………..
5 7
CAPÍTULO 2
PRINCIPIO DE ENERGÍA EN HIDRÁULICA DE CANALES ……………………………… 5
9
2.1 DISTRIBUCIÓN DE PRESIÓN EN UN CANAL …………………………………………………………..
6 0
2.4 EJERCICIOS PROPUESTOS ……………………………………………………………………………..
9 5
CAPÍTULO 3
FLUJO CRÍTICO ……………………………………………………………………………..
9 7
3.1 CARACTERÍSTICAS ………………………………………………………………………………………
9 8
3.2 CÁLCULO DEL FLUJO CRÍTICO …………………………………………………………………………
9 8
3.3 CONCEPTO DE ENERGÍA MÍNIMA …………………………………………………………………….
104
3.4 ACCESIBILIDAD DEL FLUJO …………………………………………………………………………….117
3.5 CHOQUE HIDRÁULICO ………………………………………………………………………………….118
3.6 EJERCICIOS PROPUESTOS ……………………………………………………………………………
145
CAPÍTULO 4
E
STRUCTURAS DE CONTROL DEL FLUJO ……………………………………………153
4.1 CAUDAL Y FLUJO CRÍTICO ……………………………………………………………………………
154
4.3 COMPUERTA ……………………………………………………………………………………………
170
4.5 EJERCICIOS PROPUESTOS ……………………………………………………………………………
217
CAPÍTULO 5
PRINCIPIO DE MOMENTUN EN HIDRÁULICA DE CANALES ………………………… 223
5.1 ECUACIÓN DE CONSERVACIÓN DEL MOMENTUM
………………………………………………… 224
5.2 FUNCIÓN DE MOMENTUM …………………………………………………………………………..
225
5.3 RESALTO HIDRÁULICO …………………………………………………………………………………
239
5.4 EJERCICIOS PROPUESTOS ……………………………………………………………………………
255
CAPÍTULO 6
F
LUJO UNIFORME …………………………………………………………………………261
6.1 CARACTERÍSTICAS ……………………………………………………………………………………
262
6.2 CÁLCULO DEL FLUJO UNIFORME …………………………………………………………………….
264
6.2.3.3 CANALES CON RUGOSIDAD VARIABLE ……………………………………………………………
278
6.3 FLUJO UNIFORME Y FLUJO CRÍTICO ………………………………………………………………..
282
6.3.1 PENDIENTE CRÍTICA………………………………………………………………………………..
283
6.3.2 TIPOS DE CANAL …………………………………………………………………………………….
286
6.3.3 ZONAS DE UN CANAL ………………………………………………………………………………
291
6.4 APLICACIONES DEL FLUJO UNIFORME ………………………………………………………………
293
6.5 EJERCICIOS PROPUESTOS ……………………………………………………………………………
293
CAPÍTULO 7
F
LUJO GRADUALMENTE VARIADO ……………………………………………………..297
7.1 PERFIL DE FLUJO ………………………………………………………………………………………
298
7.2 ECUACIÓN DIFERENCIAL DEL FGV
………………………………………………………………… 298
7.2.1 HIPÓTESIS GENERALES …………………………………………………………………………….
298
7.3 TIPOS DE PERFIL DE FLUJO ………………………………………………………………………….
305
7.4 INTEGRACIÓN DE LA ECUACIÓN DIFERENCIAL ……………………………………………………..
315
7.4.1 MÉTODO DIRECTO DE LOS PASOS ……………………………………………………………….
317
7.4.2 MÉTODO ESTÁNDAR DE LOS PASOS ………………………………………………………………
318
7.5 EL CÁLCULO DE UN PERFIL DE FLUJO …………………………………………………………….
321
7.6 EJERCICIOS PROPUESTOS ……………………………………………………………………………
348
LISTA DE SÍMBOLOS ……………………………………………………………………..
363
BIBLIOGRAFÍA ……………………………………………………………………………..
367
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