💦 Tema 28: Hidráulica: fluidos, hidrostática e hidrodinámica

Diputación Provincial de Cuenca · Servicio de Prevención y Extinción de Incendios, Protección Civil y Emergencias (SPEIN) · Mecánico/a Bombero/a Conductor/a

Resumen

Este tema es el 6 de la parte específica del anexo III de las bases (Caracterización de la hidráulica) y sigue el capítulo 1 de la parte 2, «Hidráulica», del Manual de incendios del CEIS Guadalajara, que las bases citan como bibliografía. 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.

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.
• Continuidad: Q = S · v constante; menos sección, más velocidad.
• Bernoulli: más velocidad, menos presión. Venturi: la base del premezclador.
• Golpe de ariete = pulso de Zhukowski: abrir y cerrar lanzas despacio.

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