💧 Tema 11: Hidráulica: caracterización

Concello da Coruña · Servizo de Extinción de Incendios e Salvamento · Bombero/a

Resumen

Tema 3 de la parte específica del anexo II de tus bases (el 11 aquí). El epígrafe oficial, en gallego, dice: «Hidráulica: Caracterización». Aquí lo tienes explicado en castellano; el cuestionario lo haces en gallego o en castellano, según marcaste en la solicitud (no se puede cambiar después). Para los temas 1 a 25 de la parte específica las bases dan como bibliografía los manuales «Formación Libre para Bombeiros» del CEIS Guadalajara.

La hidráulica es la rama de la mecánica que estudia las propiedades mecánicas de los fluidos; se divide en hidrostática (fluidos en equilibrio) e hidrodinámica (fluidos en movimiento). El tema 7 (bombas e instalación) aplica todo esto a la práctica.

Propiedades de los fluidos. La masa es la cantidad de materia de un cuerpo y se mide en kilogramos; es una magnitud escalar, mientras que el peso es vectorial. La densidad (ρ) es la masa por unidad de volumen, en kg/m³. El peso específico (γ) es el peso por unidad de volumen, en N/m³. La densidad relativa y el peso específico relativo comparan esos valores con los de una sustancia patrón, que es el agua a 4 °C y 1 atmósfera; en la tabla del manual, el mercurio tiene 13,6, el hierro 7,8, el aceite 0,8 y la madera 0,5.

La viscosidad (μ) es la oposición de un fluido a las deformaciones tangenciales y se debe a la cohesión molecular; solo se manifiesta con el líquido en movimiento y se define como la relación entre el esfuerzo cortante y el gradiente de velocidad (viscosidad dinámica o absoluta). Un fluido ideal carece de viscosidad. Según la ley de Newton de la viscosidad, la resistencia crece con la velocidad de deformación (la cuchara en el tarro de miel). La capa límite explica que la lámina de fluido pegada a una pared tiene su misma velocidad. La viscosidad depende sobre todo de la temperatura: en los gases aumenta con ella, al contrario que en los líquidos. Un líquido más viscoso pierde más presión en las conducciones.

La presión de vapor es, para una temperatura dada, la presión a la que líquido y vapor están en equilibrio dinámico. Un líquido hierve cuando su presión de vapor iguala la presión exterior: si baja la presión externa, baja el punto de ebullición. El agua tiene una presión de vapor de 0,0173 kgf/cm² a 15 °C y de 1,033 kgf/cm² a 100 °C, y hay que tenerla en cuenta al aspirar con bombas para evitar la cavitación. La tensión superficial es la energía necesaria para aumentar la superficie de un líquido por unidad de área; en el agua es alta por los puentes de hidrógeno, explica la forma esférica de las gotas y, junto a la adherencia a los sólidos, la capilaridad.

Hidrostática. La presión es la fuerza perpendicular por unidad de superficie; su unidad SI es el pascal (1 N/m²). La presión atmosférica equivale a una columna de 760 mm de mercurio y varía con la altitud y el tiempo. Equivalencias del manual: 1 atm = 1,033 kg/cm² = 10,33 m.c.a.; 1 bar = 100.000 Pa ≈ 1,019 kg/cm². Presión absoluta es la medida desde el cero absoluto y relativa la medida desde la atmosférica (absoluta = relativa + atmosférica); los manómetros suelen medir presiones relativas. La presión estática no depende de la velocidad y se mide con tubos piezométricos; estática más dinámica es la presión total.

La ecuación fundamental de la hidrostática dice que la presión en un fluido en reposo aumenta con la profundidad, es igual en todos los puntos a la misma profundidad (vasos comunicantes), no depende de la forma del recipiente y actúa perpendicular a las superficies. El principio de Pascal: la presión aplicada a un fluido en equilibrio en un recipiente indeformable se transmite con la misma intensidad en todas direcciones; en la prensa hidráulica, F1/S1 = F2/S2, de modo que una fuerza pequeña en el émbolo pequeño da una grande en el grande, y en él se basan los equipos de corte y separación. El principio de Arquímedes: todo cuerpo sumergido recibe un empuje vertical hacia arriba igual al peso del fluido que desaloja, que depende de la densidad del líquido y del volumen sumergido, no de la presión.

Hidrodinámica. El manual trabaja con tres aproximaciones: líquido incompresible, pérdidas por viscosidad despreciables y régimen estacionario. El régimen es laminar a baja velocidad (láminas paralelas) y turbulento con velocidad alta o cambios bruscos de dirección; lo separa el número de Reynolds: laminar por debajo de 2.000, turbulento por encima de 4.000 y transición entre ambos. Casi todos los sistemas de agua de bomberos trabajan en régimen turbulento. El caudal es el volumen que atraviesa una sección por unidad de tiempo (Q = S · v) y, por la ecuación de continuidad, se mantiene constante entre dos puntos sin fuentes ni sumideros: si la sección baja, la velocidad sube.

El principio de Bernoulli dice que en un fluido ideal la suma de energía de presión, cinética y potencial es constante a lo largo de la conducción: en un tramo horizontal que se estrecha sube la velocidad y baja la presión; si la sección no cambia y se gana altura, la energía potencial crece a costa de la presión. El teorema de Torricelli, aplicación de Bernoulli, da la velocidad de salida por un orificio igual a la de caída libre desde la superficie libre (v = √(2gh)); el caudal real de una lanza es menor por la contracción de la vena líquida (factor K entre 0,9 y 0,98). El efecto Venturi es la bajada de presión al aumentar la velocidad en un estrechamiento y es la base de pulverizadores y premezcladores de espumógeno.

El golpe de ariete (pulso de Zhukowski) es la sobrepresión y posterior depresión que aparece en una tubería al variar bruscamente el caudal, por ejemplo al cerrar de golpe una válvula o una lanza: las partículas que se paran son empujadas por las que vienen detrás, la onda de presión recorre la tubería a gran velocidad (del orden de la del sonido en el agua, algo menos por la elasticidad de la tubería), comprime el líquido y dilata la tubería, y luego rebota como depresión. Puede romper los conductos, por eso las lanzas y válvulas se abren y cierran despacio.

La hidráulica es la rama de la mecánica que estudia las propiedades mecánicas de los fluidos; se divide en hidrostática (fluidos en reposo, en equilibrio) e hidrodinámica (líquidos en movimiento). El capítulo de hidráulica del Manual de incendios del CEIS Guadalajara arranca con las propiedades de los fluidos: la masa (cantidad de materia, en kg; escalar, mientras que el peso es vectorial), la densidad ρ (masa por volumen, kg/m³), el peso específico γ (peso por volumen, N/m³) y la densidad relativa, que compara con el agua a 4 °C y 1 atmósfera (el mercurio tiene 13,6; el aceite 0,8; la madera 0,5).

Más propiedades: la viscosidad (μ) es la oposición del fluido a las deformaciones tangenciales, se debe a la cohesión molecular y solo se manifiesta con el líquido en movimiento; un fluido ideal es el que carece de viscosidad (y es incompresible). En los líquidos la viscosidad baja al calentarse, pero en los gases sube con la temperatura, y un líquido más viscoso pierde más presión en las conducciones. La presión de vapor es la presión a la que líquido y vapor están en equilibrio a una temperatura dada: el agua hierve cuando su presión de vapor iguala la exterior (1,033 kg/cm² a 100 °C), así que si baja la presión exterior baja el punto de ebullición; hay que tenerla en cuenta al aspirar con bombas para evitar la cavitación. La tensión superficial es la energía necesaria para aumentar la superficie del líquido por unidad de área (alta en el agua por los puentes de hidrógeno) y explica la capilaridad y la forma de las gotas.

Presión es la fuerza por unidad de superficie; su unidad en el Sistema Internacional es el pascal (Pa), un newton sobre un metro cuadrado. La presión atmosférica es el peso del aire: a nivel del mar equivale a una columna de 760 mm de mercurio y varía con la altitud y con el tiempo meteorológico. Equivalencias del manual: 1 atm = 1,033 kg/cm² = 10,33 m.c.a. y 1 bar = 100.000 Pa (≈ 1,019 kg/cm²); en la práctica se toma 1 atm ≈ 1 bar ≈ 1 kg/cm² ≈ 10 m.c.a. La presión absoluta se mide desde el cero absoluto y la relativa desde la atmosférica (absoluta = relativa + atmosférica); los manómetros suelen medir presión relativa. La presión estática no depende de la velocidad (se mide con tubos piezométricos), la dinámica sí, y su suma es la presión total.

Hidrostática: la ecuación fundamental dice que la presión en un fluido en reposo aumenta con la profundidad, que todos los puntos a la misma profundidad tienen la misma presión (vasos comunicantes), que la presión solo depende de la profundidad y no de la forma del recipiente y que actúa perpendicular a las superficies. El principio de Pascal: la presión ejercida sobre un fluido poco compresible y en equilibrio, en un recipiente indeformable, se transmite con la misma intensidad en todas direcciones; es la base de la prensa hidráulica, los frenos y elevadores hidráulicos y los equipos de corte y separación de excarcelación. El principio de Arquímedes: todo cuerpo sumergido recibe un empuje vertical hacia arriba igual al peso del volumen de fluido que desaloja.

Hidrodinámica: se estudia suponiendo líquido incompresible, pérdidas por viscosidad despreciables y régimen estacionario. El flujo es laminar cuando las partículas van en láminas paralelas (baja velocidad) y turbulento cuando hay remolinos (más velocidad, codos, estrechamientos); el número de Reynolds los separa: laminar por debajo de 2.000, turbulento por encima de 4.000 y transición entre ambos. Casi todas las instalaciones de bomberos trabajan en régimen turbulento. El caudal es la cantidad de líquido que atraviesa una sección por unidad de tiempo, y la ecuación de continuidad dice que entre dos puntos sin fuentes ni sumideros el caudal es constante: si la sección se estrecha, la velocidad aumenta.

Bernoulli: en un fluido ideal la suma de energía de presión, cinética y potencial se mantiene constante a lo largo de la conducción. En una canalización horizontal, si se estrecha la sección sube la velocidad y baja la presión; si se gana altura con sección constante, la energía potencial crece a costa de la presión. Torricelli aplica Bernoulli a un orificio: el líquido sale con la velocidad de un cuerpo en caída libre desde la altura de la superficie libre, lo que permite calcular el caudal de una lanza en función de la presión de entrada (con un factor del surtidor K entre 0,9 y 0,98). El efecto Venturi es la bajada de presión al aumentar la velocidad en un estrechamiento, que aspira otro fluido: es la base de pulverizadores y premezcladores de espumógeno.

Pérdida de carga es la energía que pierde el fluido en movimiento por rozamientos y turbulencias. Las continuas o lineales se deben a la fricción a lo largo de la conducción; las locales o singulares, a estrechamientos, cambios de dirección, bifurcaciones, válvulas o lanzas, y suelen ser mucho menores. La pérdida de carga aumenta de forma lineal con la longitud, con el cuadrado de la velocidad o del caudal, con la quinta potencia al reducir el diámetro y con la rugosidad y la viscosidad. Por eso doblar el caudal multiplica por cuatro la pérdida, y pasar de manguera de 45 a 25 mm la dispara (según la tabla del manual, a 200 l/min se pierden 0,37 bar en la de 45 y 9 bar en la de 25).

Bombas: el Manual de equipos operativos del CEIS distingue las centrífugas, que comunican energía al agua con los álabes de un rodete que gira, de las de desplazamiento volumétrico o positivo (rotativas de engranajes, tornillos, lóbulos o levas y alternativas de pistón). La centrífuga es la de los vehículos de bomberos: caudal constante, presión uniforme, construcción sencilla, poco peso y mantenimiento y gran flexibilidad de regulación, con la presión inversa al caudal. Su gran inconveniente es que no es autoaspirante y necesita cebado. Consta de rodete o impulsor, eje, carcasa (circular o en voluta, de sección creciente, donde la velocidad se convierte en presión), bocas de aspiración e impulsión, cámara de sellado y mecanismo de cebado. Cada rodete es una etapa: una etapa para baja carga, dos rodetes en serie para carga media y tres o más para carga alta.

Características de la bomba de bomberos: el caudal nominal es el que da 10 bar en el colector de impulsión aspirando a 6 metros de altura geométrica con un mangote de 8 metros con filtro, y se expresa en m³/h; todas son de aspiración axial; suelen tener una etapa de baja (que no suele pasar de 12-14 atm) y otra de alta (en torno a 40 atm, que da gotas más finas y efecto niebla). La toma de fuerza puede ir detrás de la caja de cambios (necesita una marcha engranada y desgasta la caja) o delante (la bomba funciona con la caja en punto muerto y su giro depende directamente del motor), que es la que se ha impuesto. Para achiques hay además bombas portátiles: la electrobomba sumergible (no necesita cebado), la turbobomba (una pequeña centrífuga movida por el agua de la autobomba, que no se mezcla con la aspirada, útil con aguas sucias y cuando la aspiración supera los 8 metros), la motobomba (motor de explosión, centrífuga de una etapa, de presión o de caudal) y la motobomba rana, que flota y no necesita cebado ni tubo de aspiración.

Claves para el examen

• Hidrostática: fluidos en equilibrio. Hidrodinámica: fluidos en movimiento.
• Masa: escalar, kg. Peso: vectorial. Densidad ρ en kg/m³; peso específico γ en N/m³.
• Sustancia patrón de la densidad relativa: agua a 4 °C y 1 atm. Mercurio 13,6.
• Fluido ideal: sin viscosidad (y, en el manual, incompresible).
• Viscosidad: en los gases sube con la temperatura, en los líquidos baja.
• Un líquido hierve cuando su presión de vapor iguala la presión exterior.
• 1 atm = 760 mm Hg = 1,033 kg/cm² = 10,33 m.c.a. 1 bar = 100.000 Pa.
• Absoluta = relativa + atmosférica. Los manómetros miden la relativa.
• La presión depende de la profundidad, no de la forma del recipiente.
• Pascal: la presión se transmite igual en todas direcciones (prensa, cizallas y separadores).
• Arquímedes: empuje igual al peso del fluido desalojado.
• Reynolds: laminar < 2.000; transición 2.000-4.000; turbulento > 4.000.

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