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 = 0,5 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 0,5 m bajo la superficie. Halla la fuerza hidrostática resultante F sobre la compuerta.

d = 0,5 mH = 1,5 mb = 1 mρ = 1000 kg/m³g = 9,81 m/s²
F = kN
2.Fuerza hidrostáticaDifícil
compuertad = 3 mH = 2,5 m

Una compuerta rectangular vertical de 1,5 m de ancho está en la pared de un depósito de glicerina, con su borde superior a 3 m bajo la superficie. Halla la fuerza hidrostática resultante F sobre la compuerta.

d = 3 mH = 2,5 mb = 1,5 mρ = 1260 kg/m³g = 9,81 m/s²
F = kN
3.Continuidad y BernoulliMedia
12d1​ = 75 mm, p1​ = 220 kPad2​ = 40 mm, p2​ = ?

El agua circula por una tubería horizontal que se estrecha de 75 mm a 40 mm. En el tramo ancho la presión es 220 kPa y la velocidad 1,75 m/s. Sin pérdidas, halla la presión p2 en el tramo estrecho.

d1 = 75 mmd2 = 40 mmp1 = 220 kPav1 = 1,75 m/sρ = 1000 kg/m³
p2 = kPa
4.Continuidad y BernoulliDifícil
C212 m5 md = 50 mmpC​ = ?

Una manguera de 50 mm de diámetro interior saca agua por sifón de un depósito abierto. El punto más alto C de la manguera está 2 m por encima de la superficie del agua, y la salida (abierta al aire) está 5 m por debajo de la superficie del agua. Desprecia las pérdidas y toma g = 9,81 m/s². Halla la presión absoluta pC en el punto C. La presión atmosférica es 101,3 kPa.

d = 50 mmzC = +2 mz2 = −5 mg = 9,81 m/s²patm = 101,3 kPa
pC = kPa
5.Fricción en tuberías y pérdida de cargaMedia
V = 2,4 m/sD = 200 mmL = 400 mf = 0,018

Agua (ρ = 1000 kg/m³) circula a 2,4 m/s por una tubería horizontal de 400 m de longitud y 200 mm de diámetro interior. Usa el factor de fricción de Darcy f = 0,018 y g = 9,81 m/s². Halla la caída de presión Δp en la tubería en kPa.

V = 2,4 m/sL = 400 mD = 200 mmf = 0,018ρ = 1000 kg/m³
Δp = kPa
6.Fricción en tuberías y pérdida de cargaDifícil
K = 5descarga libreH = ?L = 200 m, D = 150 mm, f = 0,0183× codo (K = 0,3)

Una tubería de 200 m de longitud y 150 mm de diámetro interior (factor de fricción de Darcy f = 0,018) sale de un depósito abierto y descarga como chorro libre a la atmósfera. Las pérdidas localizadas son una entrada de arista viva (K = 0,5), 3 codos (K = 0,3 cada uno) y una válvula (K = 5). Usa g = 9,81 m/s². ¿A qué altura H debe estar la superficie del depósito sobre la salida de la tubería para un caudal de 20 L/s?

Q = 20 L/sL = 200 mD = 150 mmf = 0,018Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×3)Kvalve = 5
H = m
7.Bombas y potencia de bombeoMedia
PQ = 20 L/sH = 64 m

Una bomba con un rendimiento del 60 % impulsa 20 L/s de agua (ρ = 1000 kg/m³) contra una altura de 64 m. Usa g = 9,81 m/s². Halla la potencia en el eje Pshaft necesaria, en kW.

Q = 20 L/sH = 64 mη = 60%g = 9,81 m/s²
Pshaft = kW
8.Bombas y potencia de bombeoDifícil
PQ = 50 L/sΔz = 5 mL = 100 m, D = 150 mm, f = 0,025, ΣK = 3

Una bomba impulsa 50 L/s de agua (ρ = 1000 kg/m³) desde un depósito inferior abierto hasta un depósito superior cuya superficie libre está 5 m más alta. La tubería mide 100 m de longitud, tiene 150 mm de diámetro interior y un factor de fricción de Darcy f = 0,025; los coeficientes de pérdidas localizadas suman ΣK = 3 (entrada y salida incluidas). Usa g = 9,81 m/s². El rendimiento de la bomba es del 72 %. Halla la potencia en el eje Pshaft en kW.

Q = 50 L/sΔz = 5 mL = 100 mD = 150 mmf = 0,025ΣK = 3η = 72%
Pshaft = kW
9.Flujo en canales abiertos (Manning)Media
b = 2 my = 0,8 m2 : 1n = 0,03, S = 0,0015

Un canal trapecial de tierra revestida de hierba tiene una anchura de fondo de 2 m y taludes de 2:1 (horizontal:vertical). El agua circula en régimen uniforme con un calado de 0,8 m. n de Manning = 0,03 y la pendiente del fondo es S = 0,0015. Halla el caudal Q en m³/s.

b = 2 my = 0,8 mz = 2n = 0,03S = 0,0015
Q = m³/s
10.Flujo en canales abiertos (Manning)Difícil
b = 2,5 my = 2,4 m3 : 1n = 0,022, Q = 80 m³/s

Un canal trapecial de tierra limpia con una anchura de fondo de 2,5 m y taludes de 3:1 (horizontal:vertical) debe transportar 80 m³/s en régimen uniforme con un calado de 2,4 m. n de Manning = 0,022. Halla la pendiente del fondo necesaria S (en m/m).

Q = 80 m³/sb = 2,5 my = 2,4 mz = 3n = 0,022
S = m/m

3Disoluciones

1.Fuerza hidrostática

Respuesta: F = 18,39 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 = 0,5 + 1,5/2 = 1,25 m
A = H·b = 1,5·1 = 1,5 m²
compuertad = 0,5 mH = 1,5 mF

Fuerza resultante

F = ρ·g·yc·A = 1000·9,81·1,25·1,5 = 18,39 kN

Respuesta

F = 18,39 kN
2.Fuerza hidrostática

Respuesta: F = 197 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 = 3 + 2,5/2 = 4,25 m
A = H·b = 2,5·1,5 = 3,75 m²
compuertad = 3 mH = 2,5 mF

Fuerza resultante

F = ρ·g·yc·A = 1260·9,81·4,25·3,75 = 197 kN

Respuesta

F = 197 kN
3.Continuidad y Bernoulli

Respuesta: p2 = 202,6 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 = 1,75·(75/40)² = 6,152 m/s
½ρ(v1² − v2²) = ½·1000·(1,75² − 6,152²)/1000 = −17,39 kPa
p2 = p1 + ½ρ(v1² − v2²) = 220 + (−17,39) = 202,6 kPa

Respuesta

p2 = 202,6 kPa
4.Continuidad y Bernoulli

Respuesta: pC = 32,63 kPa

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.

Velocidad en la manguera

La superficie y la salida están abiertas al aire, así que los términos de presión se anulan.

v = √(2g·5) = √(2·9,81·5) = 9,905 m/s

Bernoulli de la superficie a C

patm = pC + ½ρv² + ρgzC
pC = 101,3 − 1000·(9,905²/2 + 9,81·2)/1000 = 101,3 − 68,67 = 32,63 kPa

Respuesta

pC = 32,63 kPa

Si esta presión baja hasta la presión de vapor del agua, el sifón deja de funcionar.

5.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: Δp = 103,7 kPa

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.

Pérdida de carga

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,018·(400/0,2)·2,4²/(2·9,81) = 10,57 m

Caída de presión

La tubería es horizontal y la velocidad no cambia, así que la ecuación de la energía se reduce a Δp = ρ·g·hf.

Δp = ρ·g·hf = 1000·9,81·10,57 = 103680 Pa = 103,7 kPa

Respuesta

Δp = 103,7 kPa
6.Fricción en tuberías y pérdida de carga

Respuesta: H = 2,05 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

V = Q/A = 0,02/0,01767 = 1,132 m/s
V²/(2g) = 0,06529 m

Coeficientes de pérdida

f·L/D = 0,018·200/0,15 = 24
ΣK = 0,5 + 3·0,3 + 5 = 6,4

Ecuación de la energía

El chorro de salida conserva su altura de velocidad; no es una pérdida, pero hay que aportarla.

H = (1 + 24 + 6,4)·0,06529 = 2,05 m

Respuesta

H = 2,05 m
7.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: Pshaft = 20,93 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 = 1000·9,81·0,02·64 = 12,56 kW

Potencia en el eje

Pshaft = Ph/η = 12,56/0,6 = 20,93 kW

Respuesta

Pshaft = 20,93 kW
8.Bombas y potencia de bombeo

Respuesta: Pshaft = 8,873 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.

Velocidad

V = Q/A = 0,05/0,01767 = 2,829 m/s
V²/(2g) = 0,408 m

Pérdidas de carga

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (16,67 + 3)·0,408 = 8,025 m

Altura de la bomba

H = Δz + hL = 5 + 8,025 = 13,02 m

Potencia en el eje

Pshaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9,81·0,05·13,02/0,72 = 8,873 kW

Respuesta

Pshaft = 8,873 kW
9.Flujo en canales abiertos (Manning)

Respuesta: Q = 2,393 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 = (b + z·y)·y = (2 + 2·0,8)·0,8 = 2,88 m²
P = b + 2y·√(1 + z²) = 2 + 2·0,8·√(1 + 2²) = 5,578 m
R = A/P = 0,5163 m

Velocidad

V = (1/0,03)·0,51632/3·0,00151/2 = 0,8309 m/s

Caudal

Q = A·V = 2,88·0,8309 = 2,393 m³/s

Respuesta

Q = 2,393 m³/s
10.Flujo en canales abiertos (Manning)

Respuesta: S = 0,00396 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 = (2,5 + 3·2,4)·2,4 = 23,28 m²
P = b + 2y·√(1 + z²) = 2,5 + 2·2,4·√(1 + 3²) = 17,68 m
R = A/P = 1,317 m

Despeja S de Manning

S1/2 = n·Q/(A·R2/3) = 0,022·80/(23,28·1,201) = 0,06293
S = 0,06293² = 0,00396

Respuesta

S = 0,00396

Eso supone un desnivel de 3,96 m por kilómetro.

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