💧 Tema 29: Hidráulica básica

Ayuntamiento de Zaragoza · Bombera/o Conductor/a

Resumen

La hidráulica es la rama de la mecánica que estudia las propiedades mecánicas de los fluidos. Empieza por las definiciones: la MASA es la cantidad de materia (kg) y es escalar, mientras que el PESO es vectorial. La DENSIDAD (ρ) es masa entre volumen, en kg/m³; el PESO ESPECÍFICO (γ) es peso entre volumen, en N/m³ (γ = ρ·g). Para la densidad y el peso específico RELATIVOS se compara con una sustancia patrón: el agua a 4 ºC y 1 atmósfera (1.000 kg/m³ y 9.810 N/m³). En la tabla del manual, el mercurio da 13,6 y la madera 0,5.

Más propiedades. La VISCOSIDAD es la oposición del fluido a las deformaciones tangenciales; se debe a la cohesión molecular, solo se manifiesta con el líquido en movimiento y se representa con μ. Depende sobre todo de la temperatura: en los gases aumenta con ella, al contrario que en los líquidos. Un fluido IDEAL es el que no tiene viscosidad y es incompresible. La PRESIÓN DE VAPOR es la presión a la que líquido y vapor están en equilibrio a una temperatura dada; un líquido hierve cuando su presión de vapor iguala a la exterior, y por eso hay que tenerla en cuenta al aspirar con bombas (cavitación). La TENSIÓN SUPERFICIAL es la energía necesaria para aumentar la superficie del líquido por unidad de área; en el agua es alta por los puentes de hidrógeno, y explica la capilaridad y las gotas.

HIDROSTÁTICA: estudia los fluidos en equilibrio y se apoya en Pascal y Arquímedes. La PRESIÓN es fuerza por unidad de superficie (P = F/S); en el SI se mide en pascales (1 N/m²). La presión atmosférica equivale al peso de 760 mm de mercurio y varía con la altitud y la meteorología. Tabla del manual: 1 atm = 1,033 kg/cm² = 10,33 m.c.a.; 1 bar = 100.000 Pa. En la práctica se acepta atm ≈ 1 bar ≈ 1 kg/cm² ≈ 760 mmHg ≈ 10 m.c.a. ≈ 14,5 PSI. Presión ABSOLUTA = atmosférica + RELATIVA, y los aparatos suelen medir la relativa. La presión TOTAL es la suma de la estática y la dinámica (la que depende de la velocidad).

La ECUACIÓN FUNDAMENTAL DE LA HIDROSTÁTICA es P = Patm + ρ·g·h. Consecuencias: la presión aumenta con la profundidad, es igual en todos los puntos a la misma profundidad (vasos comunicantes), no depende de la forma del recipiente y es perpendicular a la superficie. PRINCIPIO DE PASCAL: la presión sobre un fluido poco compresible y en equilibrio, en un recipiente indeformable, se transmite con la misma intensidad en todas las direcciones. Su aplicación clave es la prensa hidráulica (p1 = p2, así que la fuerza se multiplica en la proporción de las secciones), y en ella se basan los equipos de corte y separación. PRINCIPIO DE ARQUÍMEDES: todo cuerpo sumergido recibe un empuje vertical hacia arriba igual al peso del fluido que desaloja; se mide en newton y depende de la densidad del líquido y del volumen sumergido, no de la presión.

HIDRODINÁMICA: estudia la dinámica de los líquidos con tres aproximaciones: líquido incompresible, pérdida por viscosidad despreciable y régimen estacionario. TIPOS DE FLUJO: laminar (baja velocidad, capas que se deslizan) y turbulento (remolinos por velocidad alta, codos, estrechamientos o dobleces). Los separa el número de Reynolds: laminar por debajo de 2000, turbulento por encima de 4000 y transición entre ambos. Casi todas las instalaciones de bomberos trabajan en régimen turbulento. El CAUDAL es el volumen que pasa por una sección en la unidad de tiempo (Q = V/t = v·S, en m³/s), y la ECUACIÓN DE CONTINUIDAD dice que, sin fuentes ni sumideros, S1·v1 = S2·v2: si la sección baja, la velocidad sube.

BERNOULLI: en un fluido ideal que circula por un conducto cerrado, la suma de energía de presión, cinética y potencial se mantiene constante (½ρv² + ρgh + P). En un tubo horizontal, si la sección se estrecha, sube la velocidad y baja la presión; si se sube de cota con sección constante, se gana energía potencial a costa de la presión. Aplicaciones: TORRICELLI (el agua sale por un orificio a v = √(2gh), como si cayera libremente desde la superficie), que da el caudal de una lanza: Qteórico = S·√(2gh) y Qreal = K·S·√(2gh), con K entre 0,9 y 0,98 por la contracción de la vena líquida; y el EFECTO VENTURI (al estrecharse la sección baja la presión y se aspira el fluido de otro conducto), base de pulverizadores y premezcladores.

LA REALIDAD DEL FLUIDO EN MOVIMIENTO: el agua real roza, así que pierde energía. La ecuación de línea lo resume: PB = PL + HG + PC (presión en bomba = presión en punta de lanza + altura geométrica + pérdidas de carga, todo en m.c.a.; entre 10 para pasarlo a bar). Las PÉRDIDAS DE CARGA son continuas (rozamiento a lo largo de la manguera) o locales (codos, reducciones, bifurcaciones, válvulas, lanzas), estas últimas mucho menores en general. Las continuas crecen de forma lineal con la longitud, con el cuadrado del caudal o la velocidad, con la quinta potencia al reducir el diámetro y con la rugosidad y la viscosidad. El desnivel cuenta 1 kg por cada 10 m: se suma si se impulsa hacia abajo y se pierde si se sube. El alcance del chorro crece con la presión y con el diámetro de la lanza, y la reacción en lanza (E = 2·P·S) es mayor con más presión y más diámetro; con un cono muy abierto casi desaparece.

GOLPE DE ARIETE (o pulso de Zhukowski): sobrepresión y depresión que se forman en una tubería al variar bruscamente el caudal, por ejemplo al cerrar de golpe una válvula o una lanza. El agua que viene detrás empuja a la que se ha parado; la onda de sobrepresión viaja por la tubería a una velocidad que puede superar la del sonido en el fluido, comprime algo el agua y dilata la manguera; luego vuelve en sentido contrario como depresión, en la que el agua puede incluso vaporizarse. Puede romper conductos y, para el bombero, provoca un aumento brusco de la reacción en lanza. La receta del manual: abrir y cerrar despacio y de forma controlada.

Claves para el examen

• Densidad ρ = m/V (kg/m³); peso específico γ = P/V = ρ·g (N/m³). Patrón: agua a 4 ºC y 1 atm (1.000 kg/m³; 9.810 N/m³).
• Fluido ideal: sin viscosidad e incompresible. La viscosidad (μ) de los gases aumenta con la temperatura, al contrario que la de los líquidos.
• Un líquido hierve cuando su presión de vapor iguala a la presión exterior (agua a 100 ºC: 1,033 kg/cm², tabla 2).
• Presión = F/S; unidad SI: pascal (1 N/m²). 1 atm = 1,033 kg/cm² = 10,33 m.c.a. = 760 mmHg; 1 bar = 100.000 Pa.
• Presión absoluta = atmosférica + relativa. Los manómetros suelen medir presión relativa.
• Ecuación fundamental: P = Patm + ρ·g·h. La presión depende de la profundidad, no de la forma del recipiente.
• Pascal: la presión se transmite igual en todas las direcciones → prensa hidráulica y equipos de corte y separación.
• Arquímedes: empuje hacia arriba = peso del fluido desalojado; depende de la densidad del líquido y del volumen sumergido.
• Reynolds: laminar R < 2000; transición 2000-4000; turbulento R > 4000. Las instalaciones de bomberos, casi siempre turbulentas.
• Caudal Q = V/t = v·S (m³/s). Continuidad: S1·v1 = S2·v2.
• Bernoulli: presión + cinética + potencial = constante. Menos sección → más velocidad → menos presión (Venturi: premezcladores).
• Torricelli: v = √(2gh). Caudal real en lanza Q = K·S·√(2gh), con K entre 0,9 y 0,98.
• Ecuación de línea: PB = PL + HG + PC. Desnivel: 1 kg por cada 10 m. Pérdidas continuas ∝ longitud, caudal², 1/diámetro⁵.
• Golpe de ariete (pulso de Zhukowski): cambio brusco de caudal; la onda puede superar la velocidad del sonido en el fluido. Se evita abriendo y cerrando despacio.

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