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💧 Tema 10: Hidráulica

Ayuntamiento de Madrid · Bombero/a Conductor/a Especialista

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Epígrafe oficial

HIDRÁULICA. Propiedades de los fluidos . Masa, densidad, peso específico, densidad relativa, peso específico relativo, viscosidad, presión de vapor y tensión superficial . Hidrostática . Presión, ecuación fundamental de la Hidrostática, principio de Pascal, principio de Arquímedes. Hidrodinámica. Régimen de fluido: laminar y turbulento, caudal, ecuación de Continuidad, ecuación de Bernoulli, teorema de Torricelli, efecto Venturi, golpe de ariete. Bombas centrífugas. Curva característica de una bomba, aspiración en bombas, cebado de bomba, cavitación, acoplamiento de bombas. Instalación hidráulica. Pérdidas de carga en una instalación, curva de una instalación, punto de funcionamiento, alcance de una instalación, reacción en lanza, minimización de golpe de ariete.

Resumen

Primero, las propiedades de los fluidos. La MASA es la cantidad de materia (kg) y la DENSIDAD es masa por volumen, ρ = m/V: el agua tiene unos 1.000 kg/m³, es decir, 1 kg por litro. El PESO ESPECÍFICO es peso por volumen, γ = ρ·g ≈ 1.000 × 9,81 ≈ 9.810 N/m³. La DENSIDAD RELATIVA compara con el agua (sin unidades): gasolina unos 0,7-0,75 (flota sobre el agua: por eso el chorro la esparce), agua de mar 1,025, mercurio 13,6; el PESO ESPECÍFICO RELATIVO da el mismo número. La VISCOSIDAD es la resistencia del fluido a fluir (la miel frente al agua), y es la que 'roza' en las mangueras. La PRESIÓN DE VAPOR es la presión a la que el líquido hierve a esa temperatura: el agua a 100 °C tiene 1 atmósfera, y a 20 °C solo unos 2,3 kPa; si la presión baja de ahí, el agua hierve aunque esté fría (cavitación). La TENSIÓN SUPERFICIAL es la 'piel' de la superficie del líquido; los humectantes la bajan para que el agua penetre en fardos, carbón o tierra.

HIDROSTÁTICA (fluido quieto). La presión es fuerza por superficie, p = F/S (1 bar = 100.000 Pa ≈ 1 kg/cm²; 1 atm = 101.325 Pa ≈ 10,33 m de columna de agua). La ECUACIÓN FUNDAMENTAL dice que la presión crece con la profundidad: p = ρ·g·h. Traducido para el parque: cada 10 metros de agua son, más o menos, 1 bar. Si la lanza está 30 m por encima de la bomba, pierdes unos 3 bar solo en subir; si está 30 m por debajo, los ganas. PRINCIPIO DE PASCAL: la presión que se aplica a un líquido encerrado se transmite igual en todas direcciones; así funciona la prensa o el gato hidráulico: F1/S1 = F2/S2. Ejemplo: 50 N en un émbolo de 10 cm² dan 5.000 N en uno de 1.000 cm² (100 veces más superficie, 100 veces más fuerza). PRINCIPIO DE ARQUÍMEDES: todo cuerpo sumergido recibe un empuje hacia arriba igual al peso del fluido que desaloja, E = ρ·g·V. Un bidón de 200 L totalmente sumergido en agua recibe un empuje de unos 200 kg (unos 1.960 N).

HIDRODINÁMICA (fluido en movimiento). El régimen puede ser LAMINAR (capas ordenadas, a poca velocidad) o TURBULENTO (remolinos, que es lo normal en mangueras); lo decide el número de Reynolds: por debajo de unos 2.000 es laminar y por encima de unos 4.000, turbulento. El CAUDAL es el volumen que pasa por unidad de tiempo, y la ECUACIÓN DE CONTINUIDAD dice que se conserva: Q = S·v = constante. Ejemplo: sección de 0,002 m² y 5 m/s dan Q = 0,01 m³/s = 10 L/s = 600 L/min. Si la sección se reduce a la mitad, la velocidad se duplica (eso hace la boquilla de la lanza). La ECUACIÓN DE BERNOULLI es la conservación de la energía de un fluido ideal: z + p/γ + v²/2g = constante (altura + presión + velocidad, todo en metros de columna). Si un término sube, otro baja. EFECTO VENTURI: en un estrechamiento la velocidad sube y la presión baja, tanto que puede aspirar otro líquido; así funcionan el premezclador de espuma de línea y los hidroeyectores. TEOREMA DE TORRICELLI: un líquido que sale por un orificio a una profundidad h lo hace a v = √(2·g·h), como si cayera libremente desde esa altura. Con h = 5 m: v = √(2 × 9,8 × 5) = √98 ≈ 9,9 m/s. Con h = 20 m: unos 19,8 m/s (cuatro veces más altura, solo el doble de velocidad).

El GOLPE DE ARIETE es la sobrepresión brutal que aparece cuando frenamos de golpe el agua en movimiento (cerrar rápido una lanza o una válvula, pisar una manguera, parar de golpe la bomba). La onda de presión viaja a una velocidad (celeridad, a) que depende del material: unos 1.000 m/s en tubería de acero, 800 m/s en fibrocemento y unos 200 m/s en PVC; en mangueras flexibles, menos aún. La sobrepresión máxima, con cierre instantáneo, es Δh = a·v/g (en metros de columna de agua). Ejemplo: en una tubería de acero (a = 1.000 m/s) con el agua a 2 m/s, Δh = 1.000 × 2 / 9,81 ≈ 204 m c.a., ¡unos 20 bar de golpe! En PVC a 1,5 m/s serían unos 30 m c.a., unos 3 bar. Revienta mangueras, racores y tuberías. Se MINIMIZA abriendo y cerrando lanzas y válvulas despacio, subiendo y bajando la presión de la bomba de forma progresiva, no estrangulando mangueras y con válvulas de alivio.

BOMBAS CENTRÍFUGAS: el rodete gira y lanza el agua hacia fuera por fuerza centrífuga, convirtiendo velocidad en presión. Su CURVA CARACTERÍSTICA (altura o presión frente a caudal) baja: cuanto más caudal das, menos presión puede darte. ASPIRACIÓN: la bomba no 'tira' del agua, sino que hace vacío y es la presión atmosférica la que empuja el agua hacia arriba, así que el máximo teórico al nivel del mar es 10,33 m, y en la práctica bastante menos (unos 7-8 m, y menos con altitud, agua caliente o manguotes largos). Una centrífuga no se ceba sola con aire: el CEBADO consiste en sacar el aire del manguote y del cuerpo de la bomba y sustituirlo por agua, con un cebador (bomba de vacío de anillo líquido, de pistones o de membrana, o eyector de gases de escape). CAVITACIÓN: si en la entrada del rodete la presión baja por debajo de la presión de vapor, el agua hierve en frío, se forman burbujas que implosionan al llegar a zonas de más presión: ruido de 'piedras', vibraciones, caída del caudal y el rodete comido. Se evita con poca altura de aspiración, manguotes cortos y sin estrangular, agua fría y sin pedir más caudal del que llega (NPSH disponible mayor que el requerido). ACOPLAMIENTO: en SERIE se suman las presiones (alturas) con el mismo caudal (como las etapas de baja y alta presión de la bomba del camión); en PARALELO se suman los caudales con la misma presión.

INSTALACIÓN: el agua pierde energía rozando, y eso son las PÉRDIDAS DE CARGA: continuas o lineales (a lo largo de la manguera, proporcionales a la longitud) y localizadas o singulares (racores, bifurcaciones, codos, válvulas, lanzas). La fórmula de Darcy-Weisbach, hf = f·(L/D)·v²/2g, nos da lo importante: son proporcionales a la LONGITUD (doble de mangueras, doble de pérdidas), al CUADRADO de la velocidad o del caudal (doble caudal, CUATRO veces más pérdidas) y bajan muchísimo al aumentar el diámetro (por eso las líneas largas se tienden en 70 mm y se reparten en 45 o 25 mm cerca del fuego). La CURVA DE LA INSTALACIÓN (la altura que hay que vencer, desnivel más pérdidas, frente al caudal) sube como una parábola; donde se cruza con la curva de la bomba está el PUNTO DE FUNCIONAMIENTO. La presión que hay que dar en bomba es: presión en punta de lanza + pérdidas de carga + desnivel (1 bar cada 10 m). Ejemplo: lanza a 6 bar, 2 bar de pérdidas y 30 m de subida (3 bar): 6 + 2 + 3 = 11 bar. El ALCANCE de una instalación es hasta dónde (longitud o altura) llegamos con la presión disponible: con 10 bar en bomba, 6 bar en lanza y, como ejemplo inventado, 0,5 bar de pérdida por tramo de 20 m, alcanzamos (10 - 6) / 0,5 = 8 tramos = 160 m. Por último, la REACCIÓN EN LANZA es el empujón hacia atrás del chorro (acción y reacción): R = ρ·Q·v, o lo que es lo mismo para un chorro ideal, R = 2·p·S. Ejemplo: 10 L/s (0,01 m³/s) saliendo a 30 m/s: R = 1.000 × 0,01 × 30 = 300 N, unos 30 kg de empuje. Aumenta con la presión y con el cuadrado del diámetro de la boquilla, por eso una lanza grande a mucha presión puede derribar a un bombero si no se sujeta bien.

Claves para el examen

💡 Truco

Cuatro reglas de parque que resuelven casi todas las preguntas de cálculo: 'DIEZ METROS, UN BAR' (hidrostática), 'MEDIA SECCIÓN, DOBLE VELOCIDAD' (continuidad), 'DOBLE CAUDAL, CUÁDRUPLE PÉRDIDA' (pérdidas de carga) y 'EN SERIE SUMO PRESIÓN, EN PARALELO SUMO CAUDAL' (bombas). Y para la bomba, 'LANZA + PÉRDIDAS + ALTURA'.

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