Ingeniería hidráulica: pack de repaso

Hojas de fórmulas, los pasos clave de los métodos de cada tema y 10 problemas de práctica, con las soluciones completas al final.

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1Fórmulas y métodos

Fuerza hidrostática

Presión a una profundidad
p = ρgh
Fuerza sobre una pared vertical
F = ρg·hc·A
Centro de presiones
yp = yc + Ic/(ycA)
Rectángulo
Ic = bH³/12

Continuidad y Bernoulli

Continuidad
A1v1 = A2v2
Bernoulli
p1 + ½ρv1² + ρgz1 = p2 + ½ρv2² + ρgz2
Caudal
Q = A·v
Área del círculo
A = πd²/4

Fricción en tuberías y pérdida de carga

Número de Reynolds
Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ
Régimen de flujo
laminar por debajo de Re ≈ 2000, turbulento por encima de Re ≈ 4000
Velocidad media
V = Q/A, A = π·D²/4
Darcy–Weisbach
hf = f·(L/D)·V²/(2g)
Pérdidas localizadas
hm = ΣK·V²/(2g)
Valores típicos de K
entrada 0,5, salida 1,0, codo de 90° ≈ 0,3
Caída de presión
Δp = ρ·g·hf
Dos depósitos abiertos
Δz = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)
Salida libre
H = (1 + f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

Bombas y potencia de bombeo

Potencia hidráulica
Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp
Potencia en el eje
Pshaft = Ph/ηpump
Potencia eléctrica
Pel = Pshaft/ηmotor
Altura de la bomba
H = Δz + Δp/(ρ·g) + hL
Pérdidas del sistema
hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

Flujo en canales abiertos (Manning)

Ecuación de Manning
V = (1/n)·R2/3·S1/2
Caudal
Q = A·V
Radio hidráulico
R = A/P (P = wetted perimeter, free surface excluded)
Rectángulo
A = b·y, P = b + 2y
Trapecio (talud z:1)
A = (b + z·y)·y, P = b + 2y·√(1 + z²)
Tubería circular, llena o a media sección
R = D/4
Pendiente necesaria
S = (n·Q/(A·R2/3))²

2Problemas de práctica

1.Fuerza hidrostáticaMedia
compuertad = 4 mH = 1,5 m

Una compuerta rectangular vertical de 1 m de ancho está en la pared de un depósito de agua, con su borde superior a 4 m bajo la superficie. Halla la fuerza hidrostática resultante F sobre la compuerta.

d = 4 mH = 1,5 mb = 1 mρ = 1000 kg/m³g = 9,81 m/s²
F = kN
2.Fuerza hidrostáticaDifícil
compuertad = 4 mH = 2 m

Una compuerta rectangular vertical de 1 m de ancho está en la pared de un depósito de glicerina, con su borde superior a 4 m bajo la superficie. Halla la profundidad ycp del centro de presiones bajo la superficie.

d = 4 mH = 2 mb = 1 mρ = 1260 kg/m³g = 9,81 m/s²
ycp = m
3.Continuidad y BernoulliMedia
12d1​ = 100 mm, p1​ = 320 kPad2​ = 75 mm, p2​ = ?

El agua circula por una tubería horizontal que se estrecha de 100 mm a 75 mm. En el tramo ancho la presión es 320 kPa y la velocidad 0,5 m/s. Sin pérdidas, halla la presión p2 en el tramo estrecho.

d1 = 100 mmd2 = 75 mmp1 = 320 kPav1 = 0,5 m/sρ = 1000 kg/m³
p2 = kPa
4.Continuidad y BernoulliDifícil
pair​ = 170 kPaQ = ?d = 20 mmh = 2 m

Un depósito de agua cerrado tiene aire comprimido sobre el agua a una presión manométrica de 170 kPa. El agua sale al aire libre por un orificio de 20 mm de diámetro, 2 m por debajo de la superficie del agua. Despreciando las pérdidas, halla el caudal Q. Usa g = 9,81 m/s².

pair = 170 kPa (manométrica)h = 2 md = 20 mmρ = 1000 kg/m³g = 9,81 m/s²
Q = L/s
5.Fricción en tuberías y pérdida de cargaMedia
Q = 12 L/sD = 75 mmL = 400 mf = 0,022

Agua circula a razón de 12 L/s por una tubería de 400 m de longitud y 75 mm de diámetro interior. Usa el factor de fricción de Darcy f = 0,022 y g = 9,81 m/s². Halla la pérdida de carga por fricción hf.

Q = 12 L/sL = 400 mD = 75 mmf = 0,022g = 9,81 m/s²
hf = m
6.Fricción en tuberías y pérdida de cargaDifícil
K = 2Δz = 24 mL = 150 m, D = 100 mm, f = 0,0152× codo (K = 0,3)

Dos depósitos abiertos están unidos por una tubería de 150 m de longitud, 100 mm de diámetro interior y factor de fricción de Darcy f = 0,015. La superficie libre del depósito superior está 24 m por encima de la del inferior. Las pérdidas localizadas son una entrada de arista viva (K = 0,5), 2 codos (K = 0,3 cada uno), una válvula (K = 2) y la salida al depósito inferior (K = 1,0). Usa g = 9,81 m/s². Halla el caudal Q en L/s.

Δz = 24 mL = 150 mD = 100 mmf = 0,015Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×2)Kvalve = 2Kexit = 1,0
Q = L/s
7.Bombas y potencia de bombeoMedia
PQ = 60 L/sH = 70 m

Una bomba con un rendimiento del 60 % impulsa 60 L/s de agua (ρ = 1000 kg/m³) contra una altura de 70 m. Usa g = 9,81 m/s². Halla la potencia en el eje Pshaft necesaria, en kW.

Q = 60 L/sH = 70 mη = 60%g = 9,81 m/s²
Pshaft = kW
8.Bombas y potencia de bombeoDifícil
PQ = 80 L/sΔz = 28 mL = 100 m, D = 200 mm, f = 0,015, ΣK = 8

Una bomba impulsa 80 L/s de agua (ρ = 1000 kg/m³) desde un depósito inferior abierto hasta un depósito superior cuya superficie libre está 28 m más alta. La tubería mide 100 m de longitud, tiene 200 mm de diámetro interior y un factor de fricción de Darcy f = 0,015; los coeficientes de pérdidas localizadas suman ΣK = 8 (entrada y salida incluidas). Usa g = 9,81 m/s². Halla la altura H que debe añadir la bomba.

Q = 80 L/sΔz = 28 mL = 100 mD = 200 mmf = 0,015ΣK = 8
H = m
9.Flujo en canales abiertos (Manning)Media
D = 600 mmn = 0,013, S = 0,001

Un colector de pluviales de hormigón de 600 mm de diámetro interior funciona a media sección. n de Manning = 0,013 y la pendiente es S = 0,001. Halla el caudal Q en m³/s.

D = 600 mmn = 0,013S = 0,001
Q = m³/s
10.Flujo en canales abiertos (Manning)Difícil
b = 5 my = 2,2 m3 : 1n = 0,03, Q = 40 m³/s

Un canal trapecial de tierra revestida de hierba con una anchura de fondo de 5 m y taludes de 3:1 (horizontal:vertical) debe transportar 40 m³/s en régimen uniforme con un calado de 2,2 m. n de Manning = 0,03. Halla la pendiente del fondo necesaria S (en m/m).

Q = 40 m³/sb = 5 my = 2,2 mz = 3n = 0,03
S = m/m

3Disoluciones

1.Fuerza hidrostática

Respuesta: F = 69,9 kN

Fuerza hidrostática sobre una superficie plana: F = ρ·g·yc·A. Actúa en el centro de presiones, ycp = yc + Ic/(ycA), que siempre está por debajo del centroide.

Profundidad del centroide y área

yc = d + H/2 = 4 + 1,5/2 = 4,75 m
A = H·b = 1,5·1 = 1,5 m²
compuertad = 4 mH = 1,5 mF

Fuerza resultante

F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·4,75·1,5 = 69,9 kN

Respuesta

F = 69,9 kN
2.Fuerza hidrostática

Respuesta: ycp = 5,067 m

Fuerza hidrostática sobre una superficie plana: F = ρ·g·yc·A. Actúa en el centro de presiones, ycp = yc + Ic/(ycA), que siempre está por debajo del centroide.

Profundidad del centroide y área

yc = d + H/2 = 4 + 2/2 = 5 m
A = H·b = 2·1 = 2 m²
compuertad = 4 mH = 2 mF

Fuerza resultante

F = ρ·g·yc·A = 1260·9,81·5·2 = 123,6 kN

Centro de presiones

La presión aumenta con la profundidad, así que la resultante actúa por debajo del centroide.

Ic = b·H³/12 = 1·2³/12 = 0,6667 m⁴
ycp = yc + Ic/(yc·A) = 5 + 0,6667/(5·2) = 5,067 m

Respuesta

ycp = 5,067 m
3.Continuidad y Bernoulli

Respuesta: p2 = 319,7 kPa

Continuidad y Bernoulli: en un fluido incompresible el caudal es el mismo en todas las secciones, Q = A₁v₁ = A₂v₂. A lo largo de una línea de corriente sin pérdidas, p + ½ρv² + ρgz es constante, así que donde el fluido va más rápido o más alto su presión es menor.

Continuidad y Bernoulli

Trabaja en Pa y después divide entre 1000 para obtener kPa.

v2 = v1·(d1/d2)² = 0,5·(100/75)² = 0,8889 m/s
½ρ(v1² − v2²) = ½·1000·(0,5² − 0,8889²)/1000 = −0,2701 kPa
p2 = p1 + ½ρ(v1² − v2²) = 320 + (−0,2701) = 319,7 kPa

Respuesta

p2 = 319,7 kPa
4.Continuidad y Bernoulli

Respuesta: Q = 6,118 L/s

Continuity and Bernoulli: for an incompressible fluid the flow rate is the same at every section, Q = A₁v₁ = A₂v₂. Along a streamline without losses, p + ½ρv² + ρgz is constant, so where the fluid is faster or higher its pressure is lower.

Bernoulli de la superficie al chorro

v = √(2·(170000/1000 + 9,81·2)) = 19,47 m/s

Caudal

Q = A·v = 0,0003142·19,47 = 0,006118 m³/s = 6,118 L/s

Respuesta

Q = 6,118 L/s
5.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: hf = 44,12 m

Flujo en tuberías: el número de Reynolds Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ distingue el flujo laminar (Re por debajo de unos 2000) del turbulento (por encima de unos 4000). La fricción a lo largo de una tubería produce la pérdida de carga de Darcy–Weisbach hf = f·(L/D)·V²/(2g). Los accesorios, las válvulas, la entrada y la salida añaden pérdidas localizadas hm = ΣK·V²/(2g). Entre las superficies libres de dos depósitos abiertos la ecuación de la energía da Δz = hf + hm, incluida la pérdida de salida K = 1.

Velocidad media

A = π·0,075²/4 = 0,004418 m²
V = Q/A = 0,012/0,004418 = 2,716 m/s

Altura de velocidad

V²/(2g) = 2,716²/(2·9,81) = 0,376 m

Darcy–Weisbach

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,022·(400/0,075)·2,716²/(2·9,81) = 44,12 m

Respuesta

hf = 44,12 m
6.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: Q = 33,04 L/s

Flujo en tuberías: el número de Reynolds Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ distingue el flujo laminar (Re por debajo de unos 2000) del turbulento (por encima de unos 4000). La fricción a lo largo de una tubería produce la pérdida de carga de Darcy–Weisbach hf = f·(L/D)·V²/(2g). Los accesorios, las válvulas, la entrada y la salida añaden pérdidas localizadas hm = ΣK·V²/(2g). Entre las superficies libres de dos depósitos abiertos la ecuación de la energía da Δz = hf + hm, incluida la pérdida de salida K = 1.

Coeficientes de pérdida

f·L/D = 0,015·150/0,1 = 22,5
ΣK = 0,5 + 2·0,3 + 2 + 1,0 = 4,1

Ecuación de la energía

Las dos superficies están abiertas al aire y prácticamente en reposo, así que todo Δz se pierde en la tubería.

24 = (22,5 + 4,1)·V²/(2·9,81)
V = √(2·9,81·24/26,6) = 4,207 m/s

Caudal

Q = V·π·D²/4 = 4,207·0,007854 = 0,03304 m³/s = 33,04 L/s

Respuesta

Q = 33,04 L/s
7.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: Pshaft = 68,67 kW

Potencia de una bomba: la potencia que recibe el agua es la potencia hidráulica Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp. El eje debe entregar más porque la bomba tiene pérdidas: Pshaft = Ph/ηpump, y el motor absorbe Pel = Pshaft/ηmotor. La altura de la bomba H sale de la ecuación de la energía: altura geométrica + altura de presión + todas las pérdidas por fricción y localizadas.

Potencia hidráulica

Ph = ρ·g·Q·H = 1000·9,81·0,06·70 = 41,2 kW

Potencia en el eje

Pshaft = Ph/η = 41,2/0,6 = 68,67 kW

Respuesta

Pshaft = 68,67 kW
8.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: H = 33,12 m

Potencia de una bomba: la potencia que recibe el agua es la potencia hidráulica Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp. El eje debe entregar más porque la bomba tiene pérdidas: Pshaft = Ph/ηpump, y el motor absorbe Pel = Pshaft/ηmotor. La altura de la bomba H sale de la ecuación de la energía: altura geométrica + altura de presión + todas las pérdidas por fricción y localizadas.

Velocidad

V = Q/A = 0,08/0,03142 = 2,546 m/s
V²/(2g) = 0,3305 m

Pérdidas de carga

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (7,5 + 8)·0,3305 = 5,123 m

Altura de la bomba

Las dos superficies están abiertas y prácticamente en reposo, así que los términos de presión y velocidad se anulan.

H = Δz + hL = 28 + 5,123 = 33,12 m

Respuesta

H = 33,12 m
9.Flujo en canales abiertos (Manning)

Respuesta: Q = 0,09708 m³/s

Ecuación de Manning (SI): para flujo uniforme en un canal abierto V = (1/n)·R2/3·S1/2 y Q = A·V, con n el coeficiente de rugosidad, S la pendiente del fondo (m/m) y R = A/P el radio hidráulico: área de la sección mojada dividida entre el perímetro mojado. En P solo cuenta el contorno en contacto con el agua, no la superficie libre. Rectángulo: A = b·y, P = b + 2y. Trapecio con taludes z:1 (horizontal:vertical): A = (b + z·y)·y, P = b + 2y·√(1 + z²). Una tubería circular llena o a media sección tiene R = D/4.

Geometría

A = 0,1414 m², R = D/4 = 0,15 m

Velocidad

V = (1/0,013)·0,152/3·0,0011/2 = 0,6867 m/s

Caudal

Q = A·V = 0,1414·0,6867 = 0,09708 m³/s

Respuesta

Q = 0,09708 m³/s
10.Flujo en canales abiertos (Manning)

Respuesta: S = 0,001483 m/m

Ecuación de Manning (SI): para flujo uniforme en un canal abierto V = (1/n)·R2/3·S1/2 y Q = A·V, con n el coeficiente de rugosidad, S la pendiente del fondo (m/m) y R = A/P el radio hidráulico: área de la sección mojada dividida entre el perímetro mojado. En P solo cuenta el contorno en contacto con el agua, no la superficie libre. Rectángulo: A = b·y, P = b + 2y. Trapecio con taludes z:1 (horizontal:vertical): A = (b + z·y)·y, P = b + 2y·√(1 + z²). Una tubería circular llena o a media sección tiene R = D/4.

Geometría

A = (b + z·y)·y = (5 + 3·2,2)·2,2 = 25,52 m²
P = b + 2y·√(1 + z²) = 5 + 2·2,2·√(1 + 3²) = 18,91 m
R = A/P = 1,349 m

Despeja S de Manning

S1/2 = n·Q/(A·R2/3) = 0,03·40/(25,52·1,221) = 0,03851
S = 0,03851² = 0,001483

Respuesta

S = 0,001483

Eso supone un desnivel de 1,483 m por kilómetro.

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